Устройство управления глубиной копания одноковшового экскаватора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.878.25

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ГЛУБИНОЙ КОПАНИЯ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА

© Д.А. Шеховцова1, А.А Руппель2

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, 644050, Россия, г. Омск, пр. Мира, 5.

Приводится описание устройства управления одноковшового экскаватора, которое помогает повысить точность разработки грунта, тем самым уменьшить время рабочего цикла. Приведен алгоритм работы устройства управления.

Ил. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: одноковшовый экскаватор; устройство управления; вертикальная координата режущей кромки ковша; алгоритм управления.

SHOVEL DIGGING DEPTH CONTROL DEVICE D.A. Shekhovtseva, A.A. Ruppel

Siberian State Automobile and Highway Academy, 5 Mir pr., Omsk, 644050, Russia.

The article describes a control device for a single-bucket excavator. It helps to improve excavation accuracy and reduces work cycle time. The operation algorithm of the control device is given. 3 figures. 5 sources.

Key words: single-bucket excavator (shovel); control unit; vertical coordinate of a bucket lip; control algorithm.

Транспорт

Основной объем земляных работ, выполняемых одноковшовым экскаватором в водохозяйственном строительстве, приходится на отрывку траншей, устройство каналов и осушительных систем (89%). В промышленном строительстве одноковшовые экскаваторы выполняют основной объем по отрывке котлованов (45,7%) и траншей (23,6%).

Анализ допускаемых отклонений вертикальной отметки земляного сооружения, возводимого одноковшовыми экскаваторами, показал, что к точности выполнения земляных работ одноковшовыми экскаваторами предъявляются высокие требования. Однако машинист гидравлического экскаватора работает в напряженных условиях, и, подвергаясь воздействиям вибраций и ускорений, он должен мгновенно оценивать изменения условий работы и при высокой производительности обеспечивать заданную точность выполнения земляных работ. В большинстве случаев машинист не располагает достоверной информацией о вертикальной координате положения рабочего органа [2].

Исследованиям устройств управления посвящен ряд работ [3-5], в которых отмечен один и тот же недостаток - необходимость выравнивания машины относительно горизонта, так как угол наклона машины при работе не учитывается. Поэтому целесообразно оснастить одноковшовый экскаватор таким устройством управления, которое позволит вести зачистные работы при некотором уклоне землеройной машины, вызванном неровностями рельефа местности.

Устройство управления одноковшового экскаватора позволяет не только определять положение режущей кромки ковша, но и вести планировочные работы. Рассмотрим структурную схему устройства управления, соединенную с общим видом одноковшового экскаватора, модель которого составлялась в программном комплексе КОМПАС-Эй У13. (рис. 1). На рис. 1 отмечены входящие в состав устройства единицы: датчики взаимного поворота элементов на углы а, в, ^ угол наклона базы к горизонту ф, стрела, рукоять и ковш, элементы гидропривода, косинусные преобразователи, задатчики длин рабочего оборудования L1, L2, L3, расстояние H1 от точки подвеса рабочего оборудования до грунта, требуемая глубина копания D, а также задатчик требуемого угла наклона траншеи 0.

Устройство может быть установлено на экскаваторе, при этом длины рабочего оборудования (стрелы, рукояти и ковша) устанавливаются при монтаже оборудования на задатчиках L1, L2 и L3. Перед разработкой траншеи оператор устанавливает на задатчике D требуемую глубину копания, на задатчике H1 - высоту точки подвеса рабочего оборудования над грунтом, на задатчике 0 - требуемый угол наклона траншеи. Далее оператор с помощью элемента электрогидропривода рабочего оборудования рукояти R приводит в движение рукоять, после чего обеспечивается автоматическое регулирование углов а и Y (угол наклона стрелы и ковша соответственно) в пределах заданных значений при движении режущей кромки ковша по прямолинейной плоскости с заданным углом наклона.

1Шеховцова Дарья Алексеевна, аспирант, тел.: 89136389192, e-mail: [email protected] Shekhovtseva Darya, Postgraduate, tel.: 89136389192, e-mail: [email protected]

2Руппель Алексей Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники, тел.: 89136225345, e-mail: [email protected]

Ruppel Aleksei, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Automation of Production Processes and Electrical Engineering, tel.: 89136225345, e-mail: [email protected]

Рис. 1. Общий вид одноковшового экскаватора ЭО-33221 и структурная схема устройства управления

Работа устройства управления заключается в следующем: сигнал, вырабатываемый датчиком в, суммируется с сигналами датчиков а и Y, расположенными в шарнирах рабочего оборудования, сигналом датчика ф, расположенном на базе машины, и сигналом задатчика в требуемого угла наклона разрабатываемой траншеи на сумматорах 1-4. При этом на выходах сумматоров соответственно вырабатываются сигналы , , , ,

которые поступают на входы косинусных преобразователей. Сигналы с выходов косинусных преобразователей делятся пропорционально длинам рабочего оборудования, высоте точке подвеса рабочего оборудования и поступают на вход алгебраического сумматора 5, на который также поступает сигнал от задатчика Н6, требуемой глубины копания. Сигналы суммируются, образуя сигнал рассогласования У, который управляет элементами гидропривода рабочего оборудования стрелы и ковша, таким образом, что рассогласование показаний датчиков а и Y наклона стрелы и ковша стремится к нулю, что соответствует требуемой глубине копания.

Одновременно предложенное устройство управления одноковшовым экскаватором непрерывно измеряет глубину копания и выводит ее на индикаторное табло, которое установлено в кабине оператора. Вертикальная координата режущей кромки ковша определяется по следующей формуле:

Ур = АВ с 0Б(а -р + в)- В С соБ(а + р + в - р) +

СРсоБ(а + р + у - р + в) - АНс0Б(в - р) + ДУР, где а, в, Y - углы между элементами рабочего оборудования соответственно; АУР - изменение вертикальной координаты оси подвеса стрелы.

Для вывода этой зависимости на рис. 2 представлена расчетная схема положения режущей кромки ковша одноковшового экскаватора. На схеме введены обозначения: АВ - длина стрелы, а именно расстояние между шарнирами крепления стрелы и рукояти; ВС - длина рукояти, а именно расстояние между шарнирами крепления стрелы и ковша; СО - длина ковша, а именно расстояние от шарнира крепления ковша до режущей кромкой ковша; АН - высота точки подвеса рабочего оборудования, а именно расстояние между

шарниром крепления стрелы и основанием земли, на которой находится экскаватор; ОЫ - требуемая глубина копания; р - заданный угол резанья; в - уклон траншеи; ф - угол наклона базы машины к гидровертикали.

Рис. 2. Расчетная схема для определения положения режущей кромки ковша одноковшового экскаватора

Чтобы сохранить постоянство угла резанья, нужно обеспечить движение режущей кромки ковша прямолинейно под некоторым углом в. Для этого необходимо определить значение углов а и Y в зависимости от изменяющегося угла в-

Углы а и Y определяются как суммы углов: а = аг+ а2+ а3; Г = 71+72+ /з-

Из рис. 2 видно, что

СС

аЛ = агсБт —; 1 АС

я АМ

а? = — агсБт —; 2 2 АС

а3 = р-в,

где Св, АС и АМ определяются следующим образом: СС = ВС ■ бЫР; А С = VАВ2 +В С2 -2-АВ-В С ■ соБр; АМ=АО+ОЫ-ЫМ. Здесь НЫ - это известная величина, а ЫМ и АО определяются из следующих формул:

ИМ = С/7 ■ Бтр; А0,=АН ■ со5(в - р).

АВ - длина стрелы, а именно расстояние между шарнирами крепления стрелы и рукояти; ВС - длина рукояти, а именно расстояние между шарнирами крепления стрелы и ковша; СБ - длина ковша, а именно расстояние от шарнира крепления ковша до режущей кромкой ковша; АН - высота точки подвеса рабочего оборудования, а именно расстояние между шарниром крепления стрелы и основанием земли, на которой находится экскаватор; РЫ - требуемая глубина копания; р - заданный угол резанья, 0 - уклон траншеи.

ао - датчик угла, установленный между стрелой и рукоятью; во - датчик угла, установленный между рукоятью и ковшом; Уо - датчик угла, установленный между рукоятью и ковшом; фо - датчик, определяющий угол наклона базы к гировертикали.

нет Выдача сигнала Ду на ЭГСУ ГЦ ковша

да

Транспорт

Отсюда

А М = А Н ■ с о в -р ) +НМ -СР ■ б тр и т . д., следовательно

ВС ■ эЫр

а1 = пгг.чгп— -;

VАВ2 + В С2 - 2 ■ АВ ■ В С ■ собр

п АН ■ со 5(в -<р )+НМ - СР ■ б тр

аг = — агсБт -;

2 V АВ2 +В С2 - 2^А В ■В С ■собр

у1=п- р-аг ВС ■ Бтр

= п - р - агсБт —;

V АВ2 +В С2 - 2 ■ АВ ■ В С ■ собр

АМ

уг = агсБт — АН ■ со 5(в -р) + НМ - СР ■ б тр

— ОТСБШ — ■1

V АВ2 +ВС2 - 2^АВ ■ВС ■собр '

Гз = Р-

Таким образом, в любой момент рабочего цикла в зависимости от значения угла в и известных постоянных величин углы а и Y имеют вид:

ВС ■ бЫР

а = пгг.ып — ■

V АВ2 + В С2 - 2 ■ АВ ■ В С ■ с обр

п А Н ■ с о в - р) + НМ - СР ■ б I пр

Н---агсБт -+ (р - в]

2 V АВ2 + В С2 - 2 ■ АВ ■ В С ■ с обр

у =

ВС ■ БШр

= п - р - огсбы —

V АВ2 +В С2 - 2 ■ АВ ■ В С ■ собр

А Н ■ с о в - р) + НМ - СР ■ б I пр + агсБт -+ р.

V АВ2 + В С2 - 2 ■ АВ ■ В С ■ с о бр

Далее в программном комплексе МаАаЬ с применением встроенных методов и средств составлен алгоритм управления одноковшового экскаватора, который запрограммирован с целью определения величин углов а и Y в зависимости от величин углов в, Р, 0 и ф и постоянных величин AB, BC и СD. Сигнал разности между истинным значением а0 и вычисленным значением а управляет гидроцилиндром стрелы, а сигнал разности между истинным значением угла Y0 и вычисленным по формулам значением угла Y управляет гидроцилиндром ковша. Тем самым человеку (оператору) требуется осуществить привод гидроцилиндра рукояти, после чего обеспечивается автоматическое регулирование углов а и Y в пределах заданных значений по прямолинейной плоскости под некоторым углом наклона траншеи. Блок-схема алгоритма устройства управления одноковшового экскаватора представлена на рис. 3.

В заключении можно сказать, что благодаря устройству управления одноковшовым экскаватором увеличивается производительность машины. Экскаватор, оснащенный данным устройством управления, может вести не только работы по разработке грунта, но и планировочные работы, то есть осуществлять последнюю зачистную операцию разрабатываемой траншеи, что обеспечивает более точную и качественную разработку грунта. Тем самым уменьшаются дополнительные материальные расходы, которые образуются вследствие некачественной разработки грунта, а также сокращается время рабочего цикла машины.

Статья поступила 06.03.2014 г.

1. Шеховцова Д.А., Руппель А.А. Алгоритм управления одноковшовым экскаватором под проектную отметку // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: мат-лы VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Омск: Изд-во СибАДИ, 2012. Кн. 2. С. 87-91.

2. Руппель А.А. Повышение точности разработки грунта одноковшовым экскаватором с гидроприводом: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.04. Омск: Изд-во СибАДИ, 1986. 325 с.

3. Авт. св-во 1587150 СССР. Устройство управления глубиной копания землеройной машины / В.С. Щербаков, А.И.

ский список

Криворучко, А.А. Руппель, Л.Е. Регирер, Б.А. Роговой. Бюл. № 31.

4. Авт. св-во 1740570 СССР. Способ определения высоты точки подвеса рабочего оборудования землеройной машины после ее переезда относительно дна разрабатываемой траншеи с продольным уклоном / В.С. Щербаков, А.И. Кри-воручко, А.А. Руппель, Л.Е. Регирер, Г.Н. Дурнева. Бюл. № 25.

5. Авт. св-во. 1661302 СССР. Система управления глубиной копания землеройной машины / В.С. Щербаков, А.И. Криво-ручко, А.А. Руппель, Л.Е. Регирер, Г.Н. Дурнева. Бюл. № 22.