CC BY
74
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 62-9+621.86+631.3.05
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС МОНИТОРИНГА ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОГРУЗОЧНОГО АГРЕГАТА
И.А. Несмиянов1, кандидат технических наук, доцент А.П. Евдокимов1, кандидат технических наук, доцент В.И. Токарев2, инженер; Е.Н. Захаров1, аспирант
1 Волгоградский государственный аграрный университет
2Волгоградагроснаб
Предложен программно-аппаратный комплекс мониторинга работы погрузочного агрегата для оценки эффективности использования сельскохозяйственных погрузчиков на различных погрузочно-разгрузочных операциях.
Ключевые слова: погрузочный агрегат, технологический процесс, программно-аппаратный комплекс.
Современные информационные технологии, повсеместное использование микропроцессорной техники и мехатронных систем, активное развитие робототехники, в т.ч. и в сельском хозяйстве ставят технические средства и технологии на новый уровень развития.
Эффективность использования погрузочно-разгрузочной техники в сельском хозяйстве, как правило, оценивается по объёму грузопереработки за час, смену, сезон и оценивается по количеству погруженных или разгруженных грузов на конечных пунктах. Однако универсальные погрузчики могут использоваться в течение смены на разных работах и с разными грузами. Отсутствие точного учёта грузопереработки одним погрузочным агрегатом снижает эффективность его рационального применения, усложняет учёт энергозатрат на операцию и оптимального использования на различных технологических операциях разгрузки-погрузки [7, 3].
Мониторинг грузопереработки отдельного погрузочного агрегата, возможный только при использовании информационных систем, получающих данные от датчиков грузоподъёмности, скорости перемещения агрегата, счётчиков грузопереработки, позволит рационально планировать погрузочно-разгрузочные операции и оптимизировать технологические процессы в АПК.
Эксплуатационно-технологический мониторинг погрузочно-разгрузочных и транспортных работ, на которых задействованы мобильные погрузчики, является не только средством повышения производительности, качества работ, комфорта и безопасности труда, но и средством повышения потребительских качеств техники.
Широкое распространение системы автоматического контроля нашли в зерноуборочных комбайнах и направлены на контроль и автоматизацию технологического процесса работы комбайна, снижение потерь зерна, улучшение условий труда, увеличение производительности и безопасности труда. Системы автоматического управления также нашли применение в посевных машинах (контроль высева семян), машинах внесения жидких пестицидов и гербицидов, харвестерах - манипуляторных многооперационных лесосечных машинах. К примеру, харвестер JohnDeere оснащён управляющей системой «Тимберматик-300», позволяющей задавать параметры при заготовке древесины согласно требованиям заказчика. Режимы автоматизации процесса разделки ствола позволяют в автоматическом режиме протягивать дерево и производить раскря-
жёвку по заданным параметрам: длина и диаметр, а на дисплее бортового компьютера отображается информация по объёму заготовленной продукции, имеется возможность распечатки отчётов по произведённой продукции [5, 9].
На настоящее время в России и странах СНГ на выпускаемых сельскохозяйственных навесных погрузчиках и манипуляторах средства автоматизации практически отсутствуют, а если и оснащаются, то заимствуются от промышленных, строительных и военных кранов-манипуляторов. Следует отметить, что для погрузочных манипуляторов с пространственным исполнительным механизмом параллельной кинематики вообще нет разработок в области систем автоматизации контроля и обеспечения безопасного управления технологическим процессом грузопереработки из-за оригинальности кинематического строения исполнительных механизмов [2, 4]. Вследствие чего становится актуальной задача создания эффективных, универсальных и недорогих средств мониторинга эксплуатационных параметров, автоматизации контроля и безопасной эксплуатации для мобильных сельскохозяйственных погрузчиков и манипуляторов [10].
Большинство сельскохозяйственных погрузчиков являются гидрофицированны-ми машинами циклического действия, и время погрузочно-разгрузочных операций для них складывается из нескольких составляющих:
Iоп $зах + $пер + $поз + $осв + $хп + $опер(1)
где $зах - время захвата (закрепления) груза; $пер - время полезного перемещения груза в заданную точку; (поз - время позиционирования, включающее ожидание затухания свободных колебаний груза на подвесе; $осв - время освобождения груза от рабочего органа (захвата, крюка); $хп - время холостого перемещения рабочего органа для подготовки к последующей операции (перевод погрузчика в рабочее или транспортное положение); $опер - время ошибок оператора и запаздывание его реакции.
Сменную производительность погрузчика циклического действия, занятого на переработке различных грузов, предлагается определять как:
п
(2)
П
см
£ 1 оп + 1 пр
1=1
где Gi - масса груза на 1-ой операции; п - число операций погрузки - разгрузки за смену; - время 1-ой операции; $пр- суммарное время простоев погрузчика за смену.
Одним из способов повышения производительности погрузочного агрегата может быть выработка оптимальных режимов погрузочных операций и их планирование, направленное на уменьшение суммарного времени простоев погрузчика за смену $пр и временем холостого перемещения рабочего органа $хп. С энергетической точки зрения важны показатели нагруженности гидропривода погрузочного агрегата и соответственно время работы двигателя и время работы гидропривода на различных этапах технологических операций в течение смены [8].
Регистрируемое время различных этапов при выполнении технологического процесса погрузочным агрегатом позволяет определить коэффициент загруженности погрузочного агрегата, его фактическую производительность и эффективность использования на конкретной технологической операции (табл. 1).
На основе регистрируемых параметров рассчитываются показатели эффективности использования погрузочного агрегата на конкретном виде работ (табл. 2).
Предлагаемый программно-аппаратный комплекс мониторинга работы погрузочного агрегата построен по блочно-модульному принципу, где каждый функциональный блок может использоваться как автономно, так и интегрироваться с другими
блоками-модулями (рис. 1) [6, 1].
Таблица 1 - Регистрируемые эксплуатационно-технологические показатели работы _погрузочного агрегата_
Регистрируемый эксплуатационный показатель (параметр) Обозначение
Время работы двигателя погрузочного агрегата Т]
Время простоя погрузочного агрегата при включенном двигателе Т2
Время работы гидропривода Тз
Средняя скорость при движении погрузочного агрегата ГсР
Время движения агрегата Т4
Пройденный погрузочным агрегатом путь Б
Время движения погрузочного агрегата с грузом Т5
Время нагруженного грузом рабочего оборудования Тб
Таблица 2 - Расчетные эксплуатационно-технологические показатели работы
погрузочного агрегата
Расчетный показатель эффективности использования погрузочного агрегата Формула
Коэффициент использования гидропривода погрузочного агрегата К]=Тз/Т]
Время холостого позиционирования рабочего оборудования Ту=Тз-Тб
Время холостых переездов и переезды к месту (от места) работ Т8= Т4-Т5
Коэффициент полезного использования погрузочного агрегата на погрузочно-разгрузочных (погрузочно-транспортных) работах К2=Тб/Тз
Коэффициент простоя агрегата К]=Т2/Т]
Блок А1 (рис. 1) регистрирует время работы двигателя Т1 на основе сигнала от генератора 1, т.е. таймер включается как только появляется напряжение на клеммах генератора. Рукоять гидрораспределителя 2 кинематически связана с контактами включателя блока А2, который фиксирует время работы гидропривода Т3 при замыкании контактов и время простоя погрузочного агрегата при включенном двигателе Т2 в нейтральном положении золотника гидрораспределителя.
Рисунок 1 - Функциональная схема программно-аппаратного комплекса мониторинга
работы погрузочного агрегата
Причем для регистрации времени простоя агрегата Т2 совместно используются блоки А] и А2. На валу колеса трактора, агрегатирующего погрузочный манипулятор,
установлен датчик угловой скорости 3, сигнал от которого поступает на блок А3, который регистрирует время движения агрегата Т4, вычисляет пройденный погрузочным агрегатом путь £ и среднюю скорость при движении погрузочного агрегата Уср. От датчика грузоподъемности 4, размещенного на крюковой подвеске, сигнал поступает на блок А4, регистрирующий время нагруженного грузом рабочего оборудования Т6 и время движения погрузочного агрегата с грузом Т5, последний параметр регистрируется посредством совместной работы блоков А3 и А4. Все параметры обрабатываются и сохраняются в блоке А5, а при необходимости выводятся на сегментный индикатор.
По умолчанию на индикаторе высвечивается текущее время работы двигателя Т1, для индикации остальных параметров используются кнопки 2 и 3 на лицевой панели прибора (рис. 2).
Рисунок 2 - Внешний вид прибора системы мониторинга работы погрузочного агрегата: 1 - сегментный индикатор; 2 - кнопки переключения режимов индикации текущего времени Т2, Т3, Т5, Т6; 3 - кнопки переключения режимов индикации Т4, 8, Уср;
4 - разъем питания прибора; 5 - разъем для подключения датчиков
Блоки А1, А2, А3, А4 и А5 могут интегрироваться друг с другом и работать как единая система, но могут работать и автономно друг от друга, однако при этом функциональность некоторых блоков может снижаться. Блок А1 полностью автономный и интегрируется с блоками А2 и А5. Блок А2 интегрируется с А1, А3 и А5, при отсутствии блока А3 будет невозможна регистрация времени простоя погрузочного агрегата. Блок А3 полностью автономен и интегрируется с блоками А2, А4 и А5. Блок А4 интегрируется с А3 и А5, при отсутствии блока А3 регистрирует только время нагруженного грузом рабочего оборудования. Аппаратная часть прибора выполнена на микроконтроллере Р1С16Е877а.
Алгоритм программы сводится к последовательному опросу семи кнопок управления. В случае нажатия одной из них осуществляется индикация соответствующей функции: время простоя, пройденный путь, скорость движения погрузчика и т.д. Если не нажата ни одна из кнопок, индицируется время работы двигателя.
Изменение состояния индикаторов происходит в процессе опроса датчиков при обработке прерываний, источником которых является переполнение таймеров TMR0 и TMR1 микроконтроллера. Частота опроса составляет 50 Гц.
Прибор позволяет непрерывно регистрировать эксплуатационно-технологические параметры в течение 99 часов 59 минут, предусмотрена возможность
переноса регистрируемых и расчетных параметров на компьютер после каждой смены.
Предложенный программно-аппаратный комплекс и методика определения эксплуатационно-технологических показателей эффективности использования погрузочного агрегата могут применяться практически на всех сельскохозяйственных погрузчиках и манипуляторах вследствие универсальности аппаратной части. Апробация программно-аппаратного комплекса мониторинга работы погрузочного агрегата проводилась как в лабораторных условиях, так и на погрузочном манипуляторе НПМ-0,6 на базе самоходного шасси Т-16МГ.
Библиографический список
1. Бортовая информационная система контроля положения погрузочного агрегата [Текст]: патент №140869 РФ, МПК G01C9/00, B66F9/06. / И.А. Несмиянов, В.И. Токарев, Е.Н. Захаров. - 0публ.20.05.2014.
2. Герасун, В.М., Системы управления манипуляторами на основе пространственных исполнительных механизмов [Текст]/ В.М. Герасун, И.А. Несмиянов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2010. - №2. - С. 24-28.
3. Несмиянов, И.А. Направления развития роботизированных погрузочных манипуляторов для агропромышленного комплекса [Электронный ресурс]/ И.А. Несмиянов, В.И. Токарев // Современная техника и технологии. - Октябрь, 2012. - Режим доступа: Шр:/ЛесЬпо1о8у.8паика.гц/2012/10/1382.
4. Несмиянов, И.А. Система управления погрузочным манипулятором параллельной структуры [Текст]/ И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьёва, В.И. Токарев // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2012. - №3 (54). - С. 42-44.
5. Рычагов, Г.Д. Электронная эра кранов-манипуляторов [Текст]/ Г.Д. Рычагов // Строительные и дорожные машины. - 2001. - №2. - С. 19-21.
6. Система контроля положения контейнера на вилочном захвате [Текст] : патент №2457172 РФ, МПК B66F9/06, G01C9/12, B66 F17/00. / И.А. Несмиянов, В.И. Токарев. -0публ.27.07.2012.
7. Токарев, В.И. Тенденции и перспективы развития сельскохозяйственных погрузчиков как робототехнических систем [Текст]/ В.И. Токарев.// Материалы XV Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2011. - С. 205-206.
8. Токарев, В.И. Направления совершенствования погрузчиков сельскохозяйственного назначения [Электронный ресурс] / В.И. Токарев, Д.Б. Курбанов // Современные научные исследования и инновации. - Март, 2012. - Режим доступа: http://web.snauka.ru/issues/2012/03/10518.
9. Шипилевский, Г.Б. Автоматизация мобильных сельскохозяйственных агрегатов. [Текст]/ Г.Б. Шипилевский, А.И. Викторов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2001. - №3. - С. 28-29.
10. The control system of the manipulator agricultural robot/ I.A. Nesmiyanov, V.V.Zoga, V.E.Pavlovskiy, N.S. Vorobyeva// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2014. - №3(35). - С. 232-237.
E-mail: [email protected]
