CC BY
133
УДК 621.87; 681.5
В. С. Щербаков, М. С. Корытов, М. Г. Григорьев МЕТОД АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДЪЕМА, ВЫРАВНИВАНИЯ ОПОРНОЙ ПЛАТФОРМЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ И КОНТРОЛЯ ОТРЫВА ВЫНОСНЫХ ОПОР ОТ ГРУНТА
Аннотация. Описывается метод автоматического горизонтирования опорной платформы строительных машин с выносными, выдвижными или откидными гидравлическими опорами и поддержания ее на заданной высоте в процессе работы машины. Метод позволяет предотвратить ситуации отрыва опор от грунта, выдвижения штоков гидроцилиндров опор на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Это повышает запас управляемости углами наклона платформы.
Ключевые слова: платформа, горизонтирование, строительная машина, выравнивание, отрыв опоры.
Abstract. Describe a method of automatic leveling basic platform of building machines with remote, sliding or folding hydraulic supports, and maintain it at a given height in the process of the machine. Method to prevent the situation supports the separation of the ground, attaching rod cylinders bearing on the maximum length, as well as the wheels touch the machine supporting surface. This increases the supply of controllability angles platform.
Keywords: a platform, horizontal leveling, building machine, alignment, separation of support.
Введение
В процессе работы угол наклона опорной платформы строительной машины к горизонту не должен превышать предельного значения. Это вынуждает оператора часто останавливать технологический процесс и вручную корректировать положение платформы, что приводит к простоям, снижению производительности труда и, как следствие, повышению затрат на выполнение работ [1-3].
Существующие системы горизонтирования опорной платформы строительных машин позволяют посредством гидрозолотников вручную управлять выдвижением гидравлических опор в соответствии с показаниями креномера [4]. Недостатками данных систем являются: невозможность автоматически производить выравнивание в горизонтальной плоскости опорной платформы и значительное время, затрачиваемое на приведение крана в рабочее положение. Оператор не имеет возможности вручную управлять сразу тремя или четырьмя опорами, он вынужден устранять крен сначала в продольном направлении относительно опорного контура платформы, а затем в поперечном направлении. При этом возможно неравномерное нагружение опор, а также возникновение ситуации выдвижения штоков на максимальную длину либо касания колесами машины опорной поверхности.
При вывешивании платформы строительной машины на выносных гидравлических опорах необходимо обеспечить выполнение следующих условий:
1) отрыв всех ходовых элементов (пневмоколес) под опорной платформой от грунта;
2) горизонтирование платформы (обеспечение нулевых углов наклона осей платформы а*, а относительно горизонтальной плоскости);
3) предотвращение отрыва выносных опор от грунта (обеспечение определенной минимальной нагруженности каждой опоры);
4) непрерывное автоматическое поддержание платформы в заданном интервале высот, за счет этого достигается предотвращение ситуации выдвижения штоков на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности.
Реализация настоящего метода при помощи бортовой системы автоматического управления строительной машины на базе промышленного микроконтроллера позволит выполнять полностью в автоматическом режиме вывешивание платформы на выносных, выдвижных или откидных гидравлических опорах, ее горизонтирование, поддержание на заданной высоте в горизонтальном положении во время работы машины. При этом предотвращаются ситуации отрыва опор от грунта, выдвижения штоков гидроцилиндров опор на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Это повышает запас управляемости углами наклона платформы.
Кроме того, поддержание платформы в процессе работы машины в горизонтальном состоянии значительно упрощает задачу определения значений управляемых координат крана по известным значениям координат точки груза [5].
Предлагаемое решение относится к области строительства, и предназначено для использования в устройствах горизонтирования опорных платформ грузоподъемных, сваезавинчивающих, буровых и других машин с выносными, выдвижными или откидными гидравлическими опорами.
Для строительных машин, большинство из которых имеет прямоугольный опорный контур с четырьмя гидравлическими опорами, использование углов наклона диагоналей платформы вместо углов крена и тангажа позволяет устранить перекрестные связи между опорами, производить одновременное горизонтирование по двум углам наклона диагоналей и по каждому углу одновременным выдвижением одной диагональной опоры и втягиванием противоположной.
1. Система автоматического подъема, выравнивания опорной платформы строительной машины в горизонтальной плоскости и контроля отрыва выносных опор от грунта
Задачей предлагаемой системы является повышение быстродействия автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости, автоматическое поддержание ее в горизонтальном положении на заданной оптимальной высоте, предотвращение аварийных ситуаций потери устойчивости платформы.
Система включает в себя платформу 1 и присоединенные к ней по углам четыре гидроцилиндра опор 2, 3, 4, 5 (рис. 1). На платформе закреплены два датчика угла наклона диагоналей платформы 6 и 7.
Каждый из гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 оборудован датчиком положения штока 8 и двумя датчиками измерения давления 9 и 10 - в поршневой и што-ковой полостях гидроцилиндра соответственно. Датчики угла наклона своими выходами соединены с информационными входами блока управления (БУ) 11, входящего в состав системы управления. Другими информационны-
ми входами БУ связан с датчиками положения штока 8 и датчиками давления 9 и 10. Управляющими выходами БУ связан с четырехсекционным электрогидрораспределителем 12, выходы которого, в свою очередь, подключены к входам гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. Другой управляющий выход БУ является входом блока аварийной остановки машины 13. Включение и отключение устройства производится блоком включения/выключения 14, выход которого является входом БУ.
Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического подъема, выравнивания опорной платформы строительной машины в горизонтальной плоскости и контроля отрыва выносных опор от грунта
Датчики наклона расположены относительно платформы 1 таким образом, что измерительные оси 15 датчиков перпендикулярны диагональным вертикальным плоскостям платформы 16 (рис. 2). Для этого для измерительной оси отдельного датчика должны выполняться два условия: перпендикулярность измерительной оси датчика диагонали 17 опорной платформы и перпендикулярность измерительной оси датчика вертикали 18. То есть две диагональные вертикальные плоскости платформы 16 образованы пересечением соответствующей диагонали платформы 17 и вертикали 18 каждая. Датчики наклона сориентированы в плоскостях 16 и измеряют отклонение опорной платформы 1 от горизонтали в данных плоскостях.
Система работает следующим образом. Перед началом работы машины оператор на пульте управления переводит тумблер в положение включения устройства, после чего блок включения/выключения 14 подает сигнал в БУ 11. В дальнейшем устройство производит все манипуляции с гидроцилиндрами опор 2, 3, 4, 5 в автоматическом режиме. Выполняется выдвижение штоков выносных гидроцилиндров опор.
После контакта опор с поверхностью происходит вывешивание опорной платформы 1 в горизонтальное положение. Причем опорная платформа выводится в такое положение по высоте (условно «срединное» по запасам ходов штоков гидроцилиндров вверх и вниз), при котором возможна максимальная коррекция углов наклона платформы при последующем возможном ее «сползании» из-за проседания опор. Для этого выполняется непрерывное автоматическое поддержание платформы на заданной высоте, при которой достигается оптимальное сочетание значений запасов ходов штоков гидроцилиндров.
БУ получает сигналы с датчиков угла наклона 6 и 7, которые пропорциональны углам наклона платформы по двум диагональным плоскостям. В БУ поступают сигналы с датчиков положения штоков опор 8, эти сигналы пропорциональны положению штоков гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. БУ формирует управляющие сигналы для секций электрогидрораспределителя 12, которые управляют положением штоков гидроцилиндров опор 2, 3, 4, 5. В зависимости от положения опор изменяются углы наклона платформы 1 в горизонтальной плоскости.
Датчики давления 9 и 10 подают сигналы в БУ, пропорциональные давлениям в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. Данная информация позволяет судить о степени нагружения каждой из четырех опор. При возникновении аварийной ситуации БУ останавливает рабочее оборудование машины. Для этого предусмотрен блок аварийной остановки 13, который срабатывает при подаче на него сигнала от БУ.
Для данной системы разработан метод автоматического подъема, выравнивания опорной платформы строительной машины в горизонтальной плоскости и контроля отрыва выносных опор от грунта.
2. Описание метода
Схема реализующего метод устройства с логическими элементами (рис. 3) имеет в качестве входов первичные информационные параметры, измеряемые с помощью датчиков: /ь 12, 13, 14 - длины гидравлических опор (гидроцилиндров) от нижней поверхности подпятника гидроцилиндра до плоскости опорной платформы; ах, ау - углы наклона опорной платформы относительно горизонтальной плоскости, измеренные в двух диагональных вертикальных плоскостях платформы; Рп1, ршЬ Рп2, Рш2, Рп3, Рш3, Рп4, Рш4 - давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров опор 1-4 соответственно (рис. 4).
Также при обработке информации используются следующие константы: 5Л, £л - площади поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра каждой опоры соответственно; Да - предельная погрешность измерения углов наклона платформы; ДЯ - предельная погрешность косвенного измерения силы реакции на любой из опор; Ятт - минимальное предельное значение силы реакции на любой из опор (порядка 10 % от расчетной доли веса платформы, приходящейся на один гидроцилиндр); Д1 - предельная погрешность измерения длин опор; /тт конт - минимальная длина отдельной гидравлической опоры, при которой обеспечивается условие отсутствия касания грунта пневматическими ходовыми элементами машины; /тах к0Нстр - максимальная длина отдельной гидравлической опоры, при которой шток выдвинут на максимально допустимую конструкцией гидроцилиндра длину; /тт_пред - минимальная предельно допустимая длина отдельной опоры в рабочем режиме машины; /тах_пред - максимальная предельно допустимая длина отдельной опоры в рабочем режиме машины (рис. 5).
Внутренними переменными параметрами метода являются: Яь Я2, Я3, Я4 - силы реакции на опорах 1, 2, 3, 4 соответственно; /тах_1234 - максимальная из четырех длин гидроцилиндров в текущий момент; /тт 1234 - минимальная из четырех длин гидроцилиндров в текущий момент.
Выходные переменные функциональной схемы с логическими элементами х\, х3, х5, х7 принимают значение «1», что соответствует выдвижению штока гидроцилиндра опоры 1, 2, 3, 4 соответственно, или значение «0», что соответствует отсутствию выдвижения; х2, х4, х6, х8 принимают значение «1», что соответствует втягиванию штока гидроцилиндра опоры 1, 2, 3, 4 соответственно, значение «0» соответствует отсутствию втягивания; х9 принимает значение «1», что соответствует сигналу аварийной остановки, и значение «0», соответствующее нормальной работе системы.
Метод однотактный, без необходимости хранения данных предыдущих тактов в памяти. На основе текущих значений первичных информационных параметров рассчитываются силы нормальной реакции на опорах Яь Я2, Я3, Я4, определяются максимальная и минимальная длины /тах_1234 и /тт_1234.
Я1, Я2, Я3, Я4 косвенно рассчитываются, исходя из известных площадей Sп, Sш гидроцилиндров, и давлений:
Яі рп1 £п Рш1 (^п ^ш), Я2 рп2 & Рш2 (^п ^ш),
Яз рп3 ^п — рш3 № — ЯД Я4 рп4 ^п — рш4 (*^п — ^<ш)*
(1)
¡тах_1234 и /тт_1234 определяются на основе текущих значений 11 12 13 ¡4.
¡тах_1234 тах([/і ¡2 ¡3 ¡4]); ¡тт_1234=тІП([А ¡2 ¡3 ¡4])-
(2)
(3)
Первичные ; информационны^ параметры !
Блоки логических элементов
Л,<Ай
й2< дд
Дз - ^тт
Й3<ДД Л4< Дті„ Дй
Блоки условий (сравнения)
а,> Да
Рис. 3. Схема осали ’л ющего метод устройства с логическими элементами
ах<-Аа
£
а:
о
О/
а;
й
№ 1 (13), 2010 Технические науки. Машиностроение и
Рис. 4. Опорная платформа строительной машины
min конт
тах_констр
тах_пред
*-тт_пред
Рис. 5. Линейные постоянные длин гидравлических опор
Затем полученные по (1)-(3) значения параметров сравниваются с константами, получаются промежуточные логические переменные ai...a16 со значениями 0 и 1, которые обрабатываются при помощи блоков логических операций. В результате получаются выходные переменные xi... х9, которые также принимают значения 0 и 1.
Промежуточные булевы переменные а1.а16, принимают значения «0» и «1», что соответствует истинности или ложности выполнения условий:
1тах_1234 — 1тах_констр Al (a1); lmin_1234 — 1тт_конт ^ Al (a2); lmax_1234 — 1тах_пред (a3); lmin_1234 — 1тт_пред (a4); R1 — Rmin (a5); R1 — AR (a6);
R2 — Rmin (a7); R2 — AR (a8); R3 — Rmin (a9); R3 — AR (a10); R4 — Rmin (a11);
R4 — AR (a12); ax — -Aa (a13); ax — Aa (a14); a — -Aa (a15); a — Aa (a16).
Блоки логических операций соединены таким образом, чтобы предотвратить возможность одновременного выдвижения и втягивания любой из опор (перекрестные связи), т.е. выходные переменные х1 и х2, х3 и х4, х5 и х6, х7 и х8 соответственно не могут одновременно принимать значение, равное «1».
По разработанной схеме устройства с логическими элементами составлены булевы функции для выходных переменных х1. х9, имеющие вид:
х1 = (а13 V а5 V а4) л (-((а3 V (-а5 л а14)) л (а13 V а5 V а4))); (4)
Х2 = (аз V (014 л -05)) л (-((аз V (014 л -05)) л (013 V 05 V 04))); (5)
х3 = (а15 V а7 V а4) л (-((а3 V (-а7 л а16)) л (а15 V а7 V а4))); (6)
Х4 = (03 V (016 л -07)) л (-((03 V (016 л -07)) л (015 V 07 V 04))); (7)
х5 = (а14 V а9 V а4) л (-((а3 V (-а9 л а13)) л (а14 V а9 V а4))); (8)
х6 = (а3 V (а13 л -а9)) л (-((а3 V (а13 л -а9)) л (а14 V а9 V а4))); (9)
Х7 = (016 V а„ V 04) л (-((03 V (-ап л 015)) л (016 V а„ V 04))); (10)
Х8 = (03 V (015 л -а„)) л (-((03 V (015 л -ап)) л (016 V а„ V 04))); (11)
х9=а1 V а2 V а6 V а8 V а10 V а12, (12)
где - - аналог логического отрицания (инверсии); л - аналог логического умножения (конъюнкции); V - аналог логического сложения (дизъюнкции). Операции перечислены в порядке убывания приоритета.
Для подтверждения адекватности предложенного метода была осуществлена его программная и модельная реализация в системе МЛТЬЛБ при помощи логических блоков МЛТЬЛБ - 8тиПпк, а также получены таблицы истинности, задающие булевы логические функции (4)-(12) в значениях «истина» либо «ложь» (1 либо 0).
Заключение
Метод предназначен для горизонтирования в системах автоматического управления на базе промышленных микроконтроллеров при вывешивании и выравнивании платформ строительных машин. Из используемых технических средств, кроме микроконтроллера, необходимо наличие двух датчиков измерения углов наклона платформы, сориентированных в двух диагональных вертикальных плоскостях платформы машины, восьми датчиков давления гидравлической жидкости в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров опор, четырех датчиков положения штоков гидроцилиндров опор.
Главным отличительным признаком метода является то, что измерительные оси датчиков наклона расположены перпендикулярно диагональным вертикальным плоскостям платформы. Этим обеспечивается независимое одновременное горизонтирование платформы в двух ее диагональных плоскостях, причем возможно горизонтирование одновременным выдвижением одной диагональной опоры и втягиванием другой, что ускоряет процесс.
Метод достаточно прост для реализации и в то же время выполняет все поставленные задачи. Он сохраняет работоспособность в том числе и при различных значениях скоростей движения штоков гидроцилиндров выносных опор строительной машины, что имеет место в реальных условиях эксплуатации.
Список литературы
1. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов и кранов-манипуляторов: ПБ 10-382-00 и ПБ 10-257-98. - Новосибирск : Сиб. унив. изд-во, 2007. - 335 с.
2. Котельников, В. С. Комментарий к правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-382-00) / В. С. Котельников, Н. А. Шишков. - М. : МЦФЭР, 2007. - 720 с.
3. Правила техники безопасности при эксплуатации стреловых самоходных кранов: ВСН 274-88. - М. : СтройИнфо, 2007. - 22 с.
4. Раннев, А. В. Строительные машины : справочник : в 2 т. Т. 1. Машины для строительства промышленных, гражданских сооружений и дорог / А. В. Раннев, В. Ф. Корелин, А. В. Жаворонков ; под общ. ред. Э.Н. Кузина. - М. : Машиностроение, 1991. - 496 с.
5. Щербаков, В. С. Определение значений управляемых координат автокрана по известным координатам груза / В. С. Щербаков, М. С. Корытов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 2 (10). - С. 176-192.
Щербаков Виталий Сергеевич доктор технических наук, профессор, декан факультета нефтегазовой и строительной техники,
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Б-таП: 5ЬегЬакоу_у5@5!Ьа&.о^
Корытов Михаил Сергеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра конструкционных материалов и специальных технологий,
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Б-таП: кт5142@таП.т
Григорьев Максим Геннадьевич
аспирант, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Б-таП: тахтшПО^таП.т
Shcherbakov Vitaly Sergeevich Doctor of engineering sciences, professor, dean of the department of oil-and-gas and construction hardware, Siberia State Automobile and Highway Academy
Koritov Mikhail Sergeevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of constructional materials and special processes, Siberia State Automobile and Highway Academy
Grigoryev Maksim Gennadyevich Postgraduate student, Siberia State Automobile and Highway Academy
УДК 621.87; 681.5 Щербаков, В. С.
Метод автоматического подъема, выравнивания опорной платформы строительной машины в горизонтальной плоскости и контроля отрыва выносных опор от грунта / В. С. Щербаков, М. С. Корытов, М. Г. Григорьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 1 (13). - С. 146-154.
