Комплексная автоматизация земляных работ строительного производства, выполняемых роторными экскаваторами

Земляные работы являются составной частью строительства большинства инженерных сооружений. Отделение грунта от массива является основной энергоемкой операцией процесса разработки грунта. Наибольшее распространение в строительном производстве (около 80.85% от общего объема земляных работ) получил механический способ разрушения грунта. Наиболее производительными землеройными машинами являются экскаваторы непрерывного действия (ЭНД), они являются специализированными машинами, предназначенными для выполнения земляных работ в промышленном, сельском, трубопроводном, мелиоративном и других отраслях строительства. Это обусловлено тем, что в названных отраслях используется типовое инженерное сооружение — траншея, т. е. отрытая выемка, имеющая значительную длину и сравнительно небольшую ширину. Траншеи в строительном производстве предназначены для укладки в них различных инженерных коммуникаций: газопроводов, водопроводов, канализации, электрокабелей, линий связи и др.

Названные выше инженерные сооружения выполняются в строго заданных геодезических отметках, что требует от машиниста высокого профессионализма и значительных психофизических затрат в течение смены. Повышение производительности труда, эффективности ЭНД может обеспечиваться как организационными, так и техническими средствами. В настоящее время магистральным направлением повышения эффективности ЭНД является их комплексная автоматизация. Разрешение данной проблемы обеспечивает резкое повышение производительности, качества возводимых сооружений, создание комфортных условий для человека-оператора, переход на двухрежимное (автоматическое и полуавтоматическое) управление. Решению названной выше проблемы и посвящена данная работа.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЭКСКАВАТОРОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.

§ 1.1. Технологии разработки траншей в современном строительном производстве.

Современные ЭНД разрабатывают траншеи и транспортируют грунт непрерывно, при этом только часть технологических операций автоматизирована. Обе операции, копание и транспортирование грунта, выполняются одновременно. Совмещение и непрерывность рабочих процессов выгодно отличают ЭНД от землеройных машин циклического действия, как по производительности, так и по приспособленности к автоматизации и роботизации. Основной технологической операцией для ЭНД является отрывка траншей. Рассмотрим основные положения технологии отрывки траншей, с целью дальнейшей ее комплексной автоматизации.

Траншея — открытая выемка, имеющая значительную длину при сравнительно небольшой ширине. Траншеи предназначены для укладки в них различных инженерных коммуникаций: газопровода, водопровода, канализации, электрокабелей и др.

Профиль траншеи (рис. 1. 1) имеет следующие элементы: дно 4, стенки 5, откосы, бровки 3, бермы 2 и отвал 1 грунта (бруствер).

Основные параметры траншеи (ширина, глубина, продольный профиль) определяют в зависимости от конкретных условий строительства и назначают проектом.

В зависимости от глубины и грунтовых условий траншеи разрабатывают с вертикальными стенками или с откосами. Откосами называются наклонные боковые плоскости, соединяющие нижние и верхние грани земляных сооружений (например, траншей, каналов, насыпей, л котлованов). Проекция линии откоса на горизонтальную плоскость называется заложением откоса.

Виды и характеристики траншей а) б).

Рис. 1. 1.

Крутизна откоса характеризуется углом, а (рис. 1. 2) между направлением откоса и горизонталью или коэффициентом заложения откоса т. Коэффициент заложения откоса определяют по формуле a Z-cosa m=- = —j~ = ctga, (l.l) где a — заложение откосаh — высота откосаL — ширина откоса. Если а=0 (точка А), то и т=0, если a=0,5h (AB=0,5h), то т=0,5 и т. д.

Основные параметры траншей.

Л Б С D с.

Рис. 1.2.

На практике крутизну откоса характеризуют отношением высоты откоса h к его заложению а. Таким образом, если говорят, что крутизна откоса 1:2, это значит, что заложение откоса, а в два раза больше высоты откоса h (на рисунке AD=2h).

Наибольшую крутизну откосов траншей, устраиваемых без креплений в однородных материковых связных грунтах естественной влажности, следует принимать в соответствии с табл. 1.1.

Таблица 1. 1.

Характеристики сооружений.

Грунты Глубина выемки, м (до).

1,5 3 5.

Угол между направлением откоса и горизонталью, град Крутизна откоса Угол между направлением откоса и горизонталью, град Крутизна откоса Угол между направлением откоса и горизонталью, град Крутизна откоса.

Насыпные 56 1:0,67 45 1:1,00 38 1:1,25.

Песчаные и гравелистые влажные (ненасыщенные) 63 1:0,50 45 1:1,00 45 1:1,00.

Глинистые: супесь 70 1:0,25 56 1:0,67 50 1:0,85 суглинок 90 1:0,00 63 1:0.50 53 1:0,75 глина 90 1:0,00 76 1:0,25 63 1:0,50 лессовый сухой 90 1:0,00 63 1:0,50 63 1:0,50.

Мореные: песчаные и супесчаные 76 1:0,25 69 1:0,57 53 1:0,75 суглинистые 78 1:0,20 63 1:0,50 57 1:0,65.

Разработка траншей с вертикальными стенками роторными и цепными траншейными экскаваторами в связных грунтах (суглинках, глинах) для укладки трубопроводов плетями допускается без креплений на глубину не более 3 м. В местах, где спускают рабочих в траншею для выполнения работ, устраивают на необходимых расстояниях откосы или крепления.

Для разработки траншей применяют цепные и роторные траншейные экскаваторы, отрывающие траншеи с вертикальными и малонаклонными стенками, и двухроторные и шнекороторные экскаваторы, отрывающие траншеи с откосами.

Траншеи глубиной, не превышающей технические возможности машин, прокладывают в такой последовательности: разбивают трассу, сводят лес и кустарник, корчуют пни и камни, планируют трассу, разрабатывают проектное сечение траншеи.

Траншею можно разрабатывать одновременно несколькими роторными или цепными экскаваторами. Каждому экскаватору выделяется захватка длиной 1.5 км в зависимости от условий строительства. Перемычки между захватками разрабатывают одноковшовыми экскаваторами.

Для устранения перемычек между захватками применяют несколько способов. Один из них заключается в том, что не оставляют земляных перемычек, а для выхода экскаватора из траншеи используют настил, уложенный поперек траншеи. Экскаватор с поднятым в транспортное положение рабочим органом перемещается на бревенчатый настил, разворачивается, выходит из забоя и переходит на следующую захватку.

Возможен и другой способ разработки траншей без образования перемычек, при котором экскаваторы работают парами. Когда второй экскаватор доходит до траншеи, разработанной первым экскаватором, он полностью дорабатывает свой участок и соединяет его с первым, а затем на транспортных скоростях догоняет первый экскаватор, который выходит из траншеи, уступая свое место второму экскаватору, а сам уезжает вперед и становится на новую захватку.

Траншеи, глубина которых превышает максимальную глубину копания ЭНД, разрабатывают ЭНД в комплекте с бульдозерами или скреперами.

В зависимости от параметров траншеи и типов применяемых машин to 1 m технологические схемы разработки глубоких траншей различны, однако при любой схеме необходимо максимально использовать ЭНД, которые имеют высокую производительность, отрывают траншею полного профиля, не требующую зачистки дна, обеспечивают низкие трудоемкость и стоимость работ. Применение одноковшовых экскаваторов допускается лишь в тех случаях, когда работа ЭНД невозможна (например, в прочных грунтах с каменистыми включениями, при работе из-под воды).

В качестве примера разработки глубоких траншей рассмотрим комплексную работу роторных ЭНД с бульдозерами, которая производится в основном по трем технологическим схемам (рис. 1. 3).

Способы разработки глубоких траншей.

Согласно первой схеме (рис. 1. 3, а), вначале бульдозерами или скреперами отрывают выемку шириной 3,5.3,6 м, планируют дно этой выемки и затем углубляют до проектной отметки роторным ЭНД. Максимальная глубина траншеи, разработанной таким способом, составляет 4 м (2+2), причем около 70% грунта разрабатывается менее производительными машинами — бульдозерами или скреперами.

По второй схеме (рис. 1. 3, б) пионерную выемку разрабатывают в два этапа: вначале роторным ЭНД отрывают траншею, а затем бульдозером уширяют выемку до необходимых размеров. Организация работ по этой схеме позволяет уменьшить объем грунта, разрабатываемого бульдозерами, до 50%.

По третьей схеме (рис. 1. 3, в) пионерную выемку разрабатывают двумя проходами ЭНД, который отрывает две параллельно расположенные траншеи. Оставшийся целик грунта разрабатывают косопоперечными проходами бульдозера, при этом срезают откос выемки со стороны отвала, куда бульдозер транспортирует грунт. При работе по этой схеме бульдозерами разрабатывают менее 50% общего объема грунта, причем разработанный грунт равномерно располагают вдоль траншеи, что создает благоприятные условия для производства работ по обратной засыпке.

В некоторых случаях роторные ЭНД работают в сцепе с механизмами, осуществляющими укладку инженерных коммуникаций. На рис. 1. 4 показана укладка кабеля связи комплектом машин, состоящим из роторного ЭНД 1 и кабелеукладочной тележки 2 на пневмоколесном ходу, передвигающейся экскаватором на прицепе.

Укладка кабеля комплектом машин.

Рис. 1. 4.

Обратная засыпка траншеи производится обычно после монтажа и испытания коммуникации (например, водопровода, газопровода, кабеля). В некоторых случаях обратную засыпку производят непосредственно после укладки коммуникации. Засыпка траншей в обычных условиях осуществляется бульдозерами с использованием грунта отвала (бруствера).

При комплексной автоматизации все технологические операции (резание, подача, изменение глубины, транспортирование грунта), кроме управления машиной в плане, должны выполнятся в автоматическом или автоматизированном режиме. Приведенные схемы технологических операций позволяют обоснованно выбирать информационное обеспечение для типовых технологий разработки грунта.

Категории и основные свойства грунтов, значения удельных сопротивлений резанию (копанию) приведены в приложении 1.

§ 1. 2. Анализ систем автоматизации экскаваторов непрерывного действия.

Внедрение систем автоматизации на ЭНД осуществляется более четверти века [14, 16, 18, 20, 27, 33]. Однако, обобщая достигнутый опыт можно констатировать, что активной автоматизации подлежал технологический контур глубины копания, который обеспечивал следующие технологические условия: a=const, hmm.

В качестве информационного обеспечения использовались или щуповые измерительные, или лазерные релейные системы. Их техническая реализация состояла в следующем: натягивалась копирная проволока и отклонения снимались с помощью копирного датчикаустанавливался лазерный излучатель, а его коллимированный луч воспринимался линейкой лазерных фотоприемников. Система с жестким копиром выполняется следующим образом (рис. 1.5).

Технологическая схема жесткого копира: а — схема расстановки элементов натяжного устройстваб — промежуточная регулируемая опора- 1 — стойка лебедки- 2 — натяжная лебедкаJ — державка проволоки- ^ — регулируемый стержень- 5 — копирная струна- 6 — стойка- 7- растяжка- 8 — стойка-анкер- 9 — барабан.

7 8 9 Ф.

Рис. 1. 5.

В устройствах для создания жесткого копира используют в качестве направляющей стальную проволоку диаметром 1.2,0 мм, стальной трос диаметром до 4,0 мм или плетеный капроновый шнур диаметром 3.4,0 мм. Обычно натягивают копирную струну на расстоянии до 250 м и с помощью лебедки (рис. 1. 5) через каждые 10 м устанавливаются регулируемые по высоте промежуточные стойки-опоры, поддерживающие струну-копир.

Концевые стойки устанавливаются по нивелиру, после чего производится нивелировка промежуточных опор. Измерение отклонений осуществляется щуповым датчиком типа ДЩ. Он служит для текущего контроля и управления положением рабочего органа или рамы машины относительно направляющей — копира, с которой взаимодействует щуп датчика. Технические характеристики щуповых датчиков приведены в табл. 1. 2, а конструкция — на рис. 1.6.

Таблица 1. 2.

Основные характеристики датчиков ДЩ.

Показатели Значения.

Стабильность положения точки срабатывания, мм ±0,2.

Пределы установки зоны нечувствительности, мм 1 .20.

Нагрузка от щупа на копирное устройство, г-с 20.

Пределы угловых перемещений оси щупа, град 0,3.9.

Масса, кг 5,0.

Датчик типа ДЩ представляет собой щуповой прибор со встроенными бесконтактными датчиками. При повороте щупа на угол, превышающий зону нечувствительности системы, бесконтактный датчик выдает дискретный сигнал, который используется для управления рабочим органом.

Основными деталями датчика продольного профиля (рис. 1. 6) являются входной вал 7, на котором укрепляется щуп 2, шестерни 3, передающие движения щупа сектору 1, и два бесконтактных датчика 8 типа БК-А, взаимодействующих с сектором. Бесконтактные датчики закреплены в коромысле 6, которое с помощью эксцентрика 4 может быть перемещено по вертикальной направляющей 9 для изменения величины зоны нечувствительности прибора. Эксцентрик фиксируется в своем положении пружиной 10, создающей необходимую силу трения между корпусом и фиксационной накладкой, приклеенной к эксцентрику. Валы датчика вращаются на шарикоподшипниках. Детали датчика смонтированы в литом алюминиевом корпусе //, в котором также установлены две сигнальные лампы 5 с защитными колпачками и штепсельный разъем для соединения датчика через кабель с блоком управления.

Весь датчик закрыт литым кожухом 12, площадка которого с резьбовыми отверстиями служит для его крепления к подъемному устройству посредством промежуточного амортизирующего устройства.

Датчик находится в исходном состоянии, если щуп, наклоненный под углом 45°, устанавливает сектор между обоими бесконтактными датчиками БК в зоне нечувствительности.

Датчик продольного профиля.

Рис. 1. 6.

При отклонении щупа за пределы зоны нечувствительности сектор входит в паз соответствующего бесконтактного датчика БК, который при этом выдает электрический сигнал.

Зона нечувствительности щупового датчика (степень загрубения) регулируется поворотом эксцентрика, вал которого имеет указатель и шлиц под отвертку. Эта выступающая часть вала закрывается резьбовым колпачком.

Лазерные релейные измерительные системы выполнены следующим образом (рис. 1. 7).

Лазерная релейная измерительная система: а — основные конструктивные элементыб — статическая характеристика прибора.

J ё-й—€Е1—* рсз .ро—*.

Т — й 2 а 6.

Рис 1.7.

Излучатель 1 (рис. 1.7) формирует опорный луч (или опорную плоскость), а фотоприемные устройства 2, расположенные строго вертикально, измеряют отклонение относительно равносигнальной зоны (РСЗ). Рассмотренная система имеет релейную статическую характеристику, что ограничивает её применение и для автоматического и для эргатического управления.

Автоматизация силовой установки.

Обобщая накопленный опыт в области автоматизации ЭНД можно констатировать, что в силу многих причин как конструктивных, так и технологических практически автоматизация сводилась к управлению силовой установкой, к стабилизации заданного момента. Так как первичных преобразователей крутящего момента недостаточно, то многие фирмы предлагали угловую стабилизацию силовой установки, что соответствует по статической характеристике — моментной.

На рис. 1. 8 приведена обобщенная схема стабилизации силовой установки ЭНД. Недостатком анализируемой системы автоматизации является то, что она не учитывает рациональных режимов резания, рациональных режимов хода, а так же взаимного неустановившегося влияния всех технологических операций, управляемых в эргатическом и автоматическом режимах. Достоинство такого подхода при автоматизации ЭНД — это простота технической реализации и достаточно высокая надежность.

Функциональная схема автоматизации силовой установки ЭНД: ИМ — исполнительный механизмРО — регулирующий органДВдвигатель (силовая установка) — ДС — датчик состоянияДЗ — динамическое звеносо (р) — частота вращения транспортирование глубина.

— мм М.

COnst.

Регулятор

ИМ.

РО.

— 1.

V.

— 1 дс дв.

Щр).

Рис. 1. 8.

Выводы по главе.

1. В условиях рыночной экономики необходимо производить системные оценки в виде идентифицированного качества и конкурентоспособности. Проблемность оценивания состоит в том, что пока нет единых общепринятых числовых мер качества. Усилия всех заинтересованных отраслевых организаций должны быть сосредоточены на решение этой проблемы. Чтобы дать положительный или отрицательный ответ о целесообразности производства новой техники необходимо на базе системного анализа провести полномасштабные системные исследования по оценке качества и конкурентоспособности технического изделия, где так называемая экономическая эффективность занимает всего лишь частную оценку. По объему проводимых исследований системная оценка качества и конкурентоспособности не только соизмерима с процессами проектирования самого технического изделия, но и в некоторых случаях может значительно превышать их. Принятие решений на основании достоверных системных оценок требует применения вычислительной техники. Для решения сформулированных выше проблем нужен отраслевой научный центр.

2. Цены на затоваренном рынке на отечественную технику занижены. Государству, исходя из этого, необходимо вводить систему регулируемых пошлин на зарубежную технику и одновременно публиковать экспертные оценки идентифицированного качества отечественной и зарубежной техники. Для многих технических изделий качество зарубежной техники и отечественной техники эквивалентно.

3. При подготовке специалистов, при разработке диссертации и оформлении патентов следует отказаться от показателя экономической эффективности, так как он не является объективным и аргументированным показателем целесообразности производства новой техники.

4. Вне объективной и достоверной информации, вне системных оценок качества не может быть современного производства, что и подтверждает реальная действительность, так как производитель, выпуская неконкурентоспособную технику, уничтожает себя собственными руками. На самих заводах эту работу должны выполнять аналитические центры или отделы.

Принятие управленческих решений, которые имеют место при модернизации МСП и при производстве новой техники, требуют оценки конкурентоспособности. Методология системного анализа позволяет наиболее полно и объективно синтезировать такие оценки, принимать управленческие решения на базе системы числовых мер. Новое научно-техническое направление требует специализации и объединения всех заинтересованных организаций, в частности, при обосновании и выборе основных оценочных показателей и числовых мер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В работе впервые в области строительного, дорожного и мелиоративного машиностроения решена проблема комплексной автоматизации землеройных машин непрерывного действия, которые как объекты автоматического управления являются многомерными многосвязанными и изменяют свою структуру и свои параметры в зависимости от свойств разрабатываемого грунта и опорной поверхности, с которыми взаимодействует колесный или гусеничный движитель ЭНД.

2. Разработанный принципиально новый способ управления предопределил создание высококачественных цифровых измерителей буксования: автономный, созданный по принципу прохождения фиксированной мерной длины за определенный интервал временидистанционный, синтезированный по принципу измерения скорости с заданным периодом опроса.

3. Разработанный высокоточный цифровой метод измерения коэффициента буксования основан на промышленных прецизионных системах измерения времени, в силу чего технические средства, реализованные по названному выше методу, обладают высокой точностью, надежностью и долговечностью, что исключительно значимо в полевых условиях.

4. Разработаны теоретические основы лазерных координаторов, на базе которых разработаны технические решения лазерных координаторов для автоматизированных ЭНД.

5. Разработаны методы синтеза лазерных координаторов для автоматизации ЭНД, конструктивные их решения и разработан аналитический аппарат, обеспечивающий оперативную оценку их метрологических и точностных свойств, при этом разработанный класс лазерных приборов может быть успешно использован и для автоматизации других землеройных, землеройно-транспортных и технологических машин в строительном производстве.

6. Разработаны основы теории динамики ЭНД как многомерных многосвязанных объектов управления.

7. Разработаны аналитические модели, достоверно описывающие физико-механические свойства грунта при взаимодействии его с движителями, имеющих место в контуре подачи. С позиций управления доказано, что контур подачи всегда является управляющей системой с переменной структурой и переменными параметрами. Показано, что в этих условиях наиболее информативным интегральным параметром является текущий коэффициент буксования, который и следует выбирать при оценивании качества управления.

8. Разработанные динамические модели контуров управления и модели перекрестных связей позволяют рассматривать ЭНД как многомерный многосвязанный объект управления, обоснованно синтезировать высокоточные регуляторы или осуществлять их отбор из системы ГСП.

Разрешение проблемы комплексной автоматизации землеройных машин непрерывного действия стало возможным лишь только в силу разработки нового принципа управления, полного описания динамики ЭНД и разрешения проблемы информационного обеспечения на базе лазерных координаторов.

9. Синтезированные динамические модели перекрестных связей между контурами позволили аналитически описать ЭНД как объекты управления, обоснованно выбрать для них информационное и аппаратное обеспечение.

10. Разработаны основы теории и методический аппарат синтеза аналоговых, дискретных и цифровых бортовых регуляторов для автоматизации ЭНД.

11. Для многомерных многосвязанных землеройных объектов управления предложен и физически реализован принципиально новый технологический принцип управления по рациональной или по оптимальной величине буксования, с одновременной разработкой автономных и дистанционных цифровых измерителей буксования, которыми должны оснащаться все землеройные машины с непрерывным технологическим процессом.

12. Разработанный принцип управления позволяет в зависимости от технологических задач задавать различное значение коэффициента буксования, от которого зависит не только производительность автоматизированных ЭНД, но и их долговечность.

13. Разработаны инженерные методики синтеза высокоточных контуров управления ЭНД: для аналоговых регуляторов, для регуляторов с импульсным выходным сигналом, для цифровых регуляторов, реализуемых на бортовых микроконтроллерах.

14. Разработаны и внедрены в инженерно-исследовательскую деятельность аналитические методы оценки динамических свойств &bdquo-контуров управления ЭНД на основе оценочных динамических моделей нагружения. Методы универсальны, обладают высокой точностью и наглядностью.

15. Впервые в работе даны системные определения, методы измерения и система мер качества, в работе показано, что идентифицированное качество включает в свой состав систему мер технического устройства, систему мер эксплуатационных свойств технического устройства и систему мер эффективности. Показано, что эффективность — это частная мера в системе мер идентифицированного качества.

16. Введены числовые меры идентифицированного качества, которые удобны и наглядны в практической деятельности, позволяют выявлять лидера в определенной группе или подгруппе технических средств, технологических машин.