Автоматизация дорожных работ

   АВТОМАТИЗАЦИЯ ДОРОЖНЫХ РАБОТ 

   Причины автоматизации 

   Опыт  показывает, что в качестве автоматизируемых операций выбираются такие, выполнение которых требует от машиниста  наибольшего морального и физического  напряжения. Например, для автогрейдеров, скреперов, бульдозеров – это планировка и профилирование при отделочных работах. Трудность выполнения этих операций и эффективность применения систем автоматического управления рабочим органом на упомянутых машинах, характеризуется данными, приведенными в таблице 1.

   Таблица 1

   Как видно из таблицы, увеличение числа  повторных проходов на ручном управлении на некоторых типах машин не дает положительного эффекта, с точки  зрения качества обрабатываемой поверхности. Следовательно существует некоторый  «барьер», который система «человек-машина» не способна преодолеть. Уровень этого барьера для машинистов средней квалификации не обеспечивает возможность выполнения вручную отделочных работ с точностью, удовлетворяющих требованиям СНиП. С другой стороны на тех же машинах с системами автоматического управления требования СНиПов выполняются за 2 – 3 прохода, даже при низкой квалификации машиниста. При этом сравнении предполагается, что в обоих случаях как при ручном, так и при автоматическом управлении подготовительные работы выполнены с одинаковым качеством.

   Для всех приведенных в табл.6 типов  машин в качестве наиболее трудной  и утомительной операции было выбрано  управление отвалом при планировании, и ставилась одна цель – получение поверхности, удовлетворяющей требованиям СНиП, т.е. преодоление указанного выше точностного барьера. Однако одновременно с этим достигается повышение и других показателей, определяющих технико-экономический эффект от автоматизации.

   Основными причинами автоматизации дорожного  строительства являются:

1. Требование к повышению производительности труда на дорожно-строительных работах;
2. Значительное повышение требований к качеству выполнения дорожно-строительных работ и изготовления дорожно-строительных материалов;
3. Сокращение сроков строительства;
4. Повышение требований к охране труда и технике безопасности в условиях дорожно-строительного производства;
5. Требование к сокращению числа рабочих, занятых в дорожном строительстве на тяжелых ручных работах;
6. Требование к экономии расхода материалов и топливно-энергетических ресурсов.

Средства  автоматизации 

   Для расширения выпуска автоматизированных машин Минстройдормашем совместно  с Минприбором разработан ряд  агрегатированных комплектов аппаратуры (АКА). К ним относятся: «АКА-Бетон» для автоматизации асфальтобетонных и бетоно-смесительных установок цикличного действия всех типов и назначений, а также ряда установок и машин для транспортирования цемента;

   «АКА-Дормаш»  для автоматизации дорожно-строительных машин и др.

   Основная  идея агрегатированных комплектов состоит  в том, что системы управления различными типами и моделями машин и установок составляются из минимального набора унифицированных приборов, что обеспечивает высокую серийность производства и удобство в эксплуатации.

   Объектом  автоматизации являются автогрейдеры, бульдозеры, скреперы, машины для укладки покрытий, различные профилировщики, канавокопатели.

   Комплект  аппаратуры позволяет строить:

   — автономные системы управления, у  которых контроль

   положения рабочего органа осуществляется с помощью  маятникового датчика, установленного на борту машины;

   — копирные системы с контролем  положения по внешнему копиру (проволоке, бордюру и т. п.);

   — комбинированные системы, в которых  для контроля углового положения служит автономный датчик, а для определения положения по высоте используется копир.

   Все эти системы для машин разного  назначения строятся на базе двух разновидностей маятникового датчика, щупового (копирного) датчика, подъемного устройства, двух разновидностей электрогидрозолотников,

    унифицированных пультов дистанционного управления и вспомогательных блоков.

   Рис. 1. Схема комплекта «АКА-Дормаш»:

   1, 1’ — маятниковый датчик; 2 — щуповой датчик; 3 — подъемное устройство; 4, 4’ — электрогидрозолотники; 5,5’ - пульт дистанционного управления; 6, 6' – вспомогательный блок; 7 – согласующее устройство; 8 – лазерный излучатель; 9, 9' – фотоэлектрический приемник.

   Маятниковый датчик ДУП

   Датчик  углового положения (маятниковый датчик) типа ДУП — унифицированный прибор, предназначенный для автономного  контроля углового положения рабочего органа или рамы дорожно-строительных машин.

     Датчик представляет собой маятник, помещенный внутри цилиндрического корпуса, закрытого с двух сторон крышками. Ось маятника установлена на шарикоподшипниках. К маятнику прикреплен токосъемник, контакт которого скользит по виткам потенциометра, укрепленного на крышке корпуса.

   Пределы измерения ±5⁰;

   Разрешающая способность не хуже 10’

   При транспортировании машины и при  работе с ручным управлением маятник  тормозится электромагнитным арретиром. 

   Щуповой датчик ДЩ

   Щуповой датчик типа ДЩ служит для контроля положения рабочего органа или рамы машины относительно направляющей — копира (проволоки, бордюра, обработанной полосы), с которой взаимодействует щуп датчика непосредственно или с помощью копир-колеса или лыжи. Датчик бесконтактный (в корпусе установлены два бесконтактных датчика типа БК-А).

   Датчик  ДЩ может быть применен и для вождения машины по курсу. При щуп скользит по боковой стороне проволоки  – копира или бордюра.

   Пределы условных перемещений щупа – 0.3 ÷ 9⁰

   Нагрузка  от щупа на копирное устройство – 20г

   Пределы зоны нечувствительности – 1-20мм 

   Подъемное устройство

   Подъемное устройство, предназначенное для  установки датчика продольного профиля на требуемой высоте, состоит из механизмов грубой и точной настройки.

   Подъемный винт точной настройки позволяет перемещать шток на 200,0 мм. Величина перемещения штока определяется с помощью указателя и шкалы, прикрепленной к корпусу. Грубая установка возможна в пределах до 600,0 мм. 

   Унифицированные блоки и пульты управления  

   Унифицированные блоки и пульты управления предназначены для совместной работы с датчиком углового положения типа ДУП, щуповыми датчиками типа ДЩ и стандартными тахогенераторами, применяемыми для контроля угловой скорости вала двигателя дорожно-строительных машин.

   Они снабжены кнопками и ключами, обеспечивающими возможность быстрого перехода на ручное управление, а также задатчиками угла установки рабочего органа и преобразователями сигналов датчиков в управляющий сигнал. Для систем с разными видами управления их оборудуют также переключателями режимов работы. 

   Направляющие  и копирные устройства 

    К ним относятся: устройства для натяжения проволоки, копир-колеса или копирные лыжи, устройства с лазерным лучом. 

   Рис. 2 Схема устройства жесткого копира:

   а – схема расстановки элементов  натяжного устройства; б – промежуточная  регулируемая опора;

   1 – стойка лебедки; 2 – натяжная  лебедка; 3 – державка проволоки; 4 – регулируемый стержень; 5 –  копирная струна; 6 – стойка; 7 –  растяжка; 8 – стойка-анкер; 9 – барабан.

   В устройствах для создания жесткого копира используют в качестве направляющей стальную проволоку диаметром 1 – 2 мм, стальной трос диаметром до 4 мм или капроновый шнур диаметром 3 – 4 мм. Обычно натягивают копирную струну на расстояние до 250 м с помощью лебедки. Через каждые 10 м устанавливаются регулируемые по высоте промежуточные стойки-опоры, поддерживающие струну-копир.

   Лучевые копиры состоят из гелий-неонового  лазера, питающегося через преобразователь от аккумуляторов. В лазерном устройстве используется цилиндрическая линза или колеблющееся зеркало, разворачивающее луч в плоскости. Фотоэлектрические приемники устанавливаются на кронштейне, который связан с рабочим органом машины и перемещается вместе с ним в вертикальной плоскости.

   Лазерные  направляющие позволяют:

   — управлять одновременно несколькими  машинами (путем установки фотоприемников на каждой машине);

   — управлять одновременно положением рабочего органа машины по поперечному  уклону и высоте (путем установки  фотоприемников на обоих концах рабочего органа).

   Гидрораспределители

   Гидрораспредилители с электрогидравлическим управлением предназначены для преобразования электрических сигналов в гидравлические.

   Электрогидрозолотники ЗСУ-8 и ЗСУ-5, выпускаемые московским машиностроительным заводом им. Калинина – высоконадежные изделия. Так в соответствие с гарантийным обязательством завода–изготовителя показателем надежности для золотников является 90%-ный ресурс до списания не менее 5×10⁶ циклов, а вероятность безотказной работы не менее 0,97 на базе 5×10⁵ циклов. 

     Московский  машиностроительный завод им. Калинина выпускает электро-гидрозолотники в различных модификациях:

     -с  закрытым нейтральным положением

     -со  свободным сливом при нейтральном  положении. 
 
 
 
 

     Гидрораспределитель с электрическим управлением ЗСУ-8 

     Рис. 3 Гидрораспределитель с электрическим управлением ЗСУ-8,

     где:

     П – линия подачи рабочей жидкости;

     О1 и О2 – линии отвода рабочей  жидкости к потребителю;

     С1 и С2 – слив отработавшей жидкости;

     У – линия блокировки ручного управления.

     Плунжер гидрораспределителя перемещается двумя толкателями электромагнитами. При отсутствии питания на электромагнитах, плунжер устанавливается в среднее положение пружинами. На торцах электромагнитов имеются контрольные кнопки, посредством которых, не включая электромагниты, можно переключить плунжер гидрораспределителя. 

     Гидрораспределитель с электрогидравлическим управлением ЗСУ-5 

     Состоит из главного золотника и золотника  управления. Плунжер главного золотника  устанавливается в среднее положение с помощью пружины. Перемещается главный золотник в крайние положение путем подвода жидкости к его торцам.

       Подачу к торцам главного золотника жидкости из напорной магистрали осуществляет золотник управления.

     Рис. 4 Гидрораспределитель с электрогидравлическим управлением ЗСУ-5,

     где:

     Н – линия подачи рабочей жидкости (напор);

     О1 и О2 – линии отвода рабочей  жидкости к потребителю;

     С – слив отработавшей жидкости;

     У – линия блокировки ручного управления.

     Конструкция золотника управления гидрозолотника ЗСУ-5 аналогична  гидрозолотнику ЗСУ-8. Золотник управления крепится к главному золотнику четырьмя винтами М8.

     Напряжение  питания электромагнитов золотников ЗСУ-12 или 24в

     Сила  тока в обмотках – 1.0А.

     Усилие  развиваемое электромагнитом – 15Н.

     Номинальное давление рабочей жидкости – для ЗСУ-5 – 10МПа; для ЗСУ-8 – 16МПа. 

   Автоматизация бульдозеров

   Отделом автоматики  ВНИИстройдормаш разработали системы автоматического управления бульдозерами на базе агрегатированного комплекта аппаратуры «АКА-Дормаш».

    Целесообразно устанавливать системы «Автоплан» на гидрофицированные бульдозеры класса 10тс и выше при достаточном фронте планировочных работ. 

     Рис. 5 Расположение аппаратуры системы «Автоплан-1» на бульдозере 

   Система «Автоплан-1» - предназначена для стабилизации углового положения толкающего бруса бульдозера с целью повышения планирующих свойств машины. 

   Блок-схема  системы «Автоплан-1»

   Где З – задающий элемент, С – сравнивающее устройство, Д – датчик (ДУП), У – усилитель, И – исполнительный механизм

   (Челябинский завод дорожных машин выпускает автоматизированные бульдозеры ДЗ-18А и ДЗ-54Б с системой «Автоплан-1». )     

   Система  «Автоплан-2» - предназначена для стабилизации углового положения толкающего бруса бульдозера и защиты двигателя от перегрузки.     

   Блок-схема  системы «Автоплан-2»

    При работе двигателя трактора в зоне оптимальных оборотов работает автомат стабилизации обеспечивающий планирования продольного профиля обрабатываемой поверхности. В случае возрастания усилия на рабочем органе до величины вызывающей недопустимое снижение оборотов двигателя, прибор контроля отключает автомат стабилизации и подает команду. 

   Автоматизация скреперов

   Стабилизация  положения ковша  скрепера

   Система «Стабилоплан-1» - позволяет автоматически  поддерживать                                                                                                                                                                                                                                                              заданный продольный уклон, а также дистанционно управлять подъемом и опусканием ковша.

   Многолетний опыт применение скреперов (ДЗ-20А, Д-498А), оборудованных системой «Стабилоплан-1», свидетельствует о

     Рис. 6  Скрепер с системой «Стабилоплан-1»

     1 – пульт управления, 2 – блок  управления, 3 – аккумулятор, 4 – гидрозолотник, 5 – датчик ДУП

целесообразности их автоматизации. Применение автоматизированного скрепера ДЗ-20А (Д-498А) на планировочных работах существенно облегчает труд машиниста, сокращает затраты времени на контрольное нивелирование и обеспечивает выполнение задание уклонов со среднеквадратичным отклонением неровности от средней линии профиля ±4см.

   Блок-схема  системы «Стабилоплан-1»

   Где З – задающий элемент, С – сравнивающее устройство, Д – датчик (ДУП), У – усилитель, И – исполнительный механизм

   Два других перспективных направления  автоматизации скреперов:

1. Регулирование загрузки двигателя
2. Стабилизация тягового усилия

Регулирование загрузки двигателя

   У двигателя здесь две системы  регулирования загрузки:

1. регулирование оборотов двигателя с помощью центробежного регулятора, увеличивающего подачу топлива при снижении оборотов.

2.2 регулирование оборотов двигателя в функции изменения нагрузки, - регулирование толщины стружки определяет нагрузку на двигатель.

Эти две параллельные и в то же время  зависимые системы приведены  на рисунке ниже в виде упрощенной блок-схемы. 

                  Блок-схема системы стабилизации загрузки двигателя

   З – задающий элемент, С – сравнивающее устройство, Д – датчик (тахогенератора), У – усилитель, И – исполнительный механизм

   Цепь  регулирования оборотов включает центробежный регулятор оборотов ЦР и топливный насос ТН, которые регулируют подачу топлива в цилиндры двигателя.

   Во  вторую систему регулирования входят: датчик (тахогенератор) Д, сигнал которого пропорционален оборотам двигателя, сравнивающее устройство С,  которое сравнивает сигналы датчика и задающего устройства З, усилитель У, исполнительный механизм И, представляющий собой гидроцилиндры с электрогидрозолотниковым  управлением.

Исполнительный механизм перемещает рабочий орган машины по вертикали и тем самым регулирует толщину стружки, определяющую нагрузку на двигатель.

Стабилизация  тягового усилия 

    Принципиальная  схема стабилизации тягового усилия приведена на рисунке ниже. Автоматическая система состоит из датчика тягового усилия I, регулятора II и привода управления III. Система регулирует положение рабочего органа машины – ковша. Его положение определяет толщину срезаемой стружки, а значит и величину нагрузки. Когда сопротивление грунта соответствует тяговому усилию скрепера, переключатель 4 находится в среднем (нейтральном) положении. В противном случае  переключатель замыкает один из неподвижных контактов 5, в результате чего срабатывает один из электромагнитов 6 и через золотник 7 включается гидроцилиндр скрепера 8 на подъем или опускание ковша.

     Рис. 7  Схема стабилизации тягового усилия скрепера:

     1 – датчик тягового усилия; 2 –  мерный гидроцилиндр; 3 – зубчатое колесо; 4 – переключатель; 5 – контакты; 6 – электромагнит; 7 – золотник; 8 – гидроцилиндр; 9 - реле 

   Автоматизация автогрейдеров 

   «Профиль-1» - позволяет стабилизировать отвал  в поперечной плоскости в заданном механизатором положении. Применение системы автоматики уменьшает утомляемость водителя на отделочных операциях

     Рис. 8  Автогрейдер среднего типа с системой «Профиль-1»:

   1 – датчик углового положения  ДУП; 2 – электрогидравлический золотник ЗСУ-5; 3 – блок управления; 4 – бортовой аккумулятор 

   по  планировке поверхности, а также  дает возможность производить эти  работы при более низкой квалификации, значительно повышая в то же время  качество отделочных работ и рабочую  скорость машины. 
 
 
 
 

   Рис. 9  Схема системы «Профиль-1»

1 –  блок управления; 2 – электрогидрозолотник ЗСУ-8; 3 – гидравлическая магистраль; 4 – управляемый гидроцилиндр; 5 – рама автогрейдера; 6 – датчик ДУП; 7 – отвал автогрейдера; 8 – электропроводка  

   «Профиль-2» - сочетание систем стабилизации продольного профиля с системой стабилизации поперечного профиля.

    - позволяет  автоматически стабилизировать  положение отвала в поперечной  плоскости и управлять положением  отвала по высоте. 

     Рис. 10  Автогрейдер с системой «Профиль-2»:

     1 – блок управления; 2 – пульт  управления; 3 – электрогидравлические золотники; 4 – датчик углового положения ДУП; щуповой датчик ДЩ; 6 – подъемное устройство; 7 - аккумулятор

   Брянский  завод дорожных машин им. 50-летия Великого Октября серийно выпускает новые автогрейдеры легкого типа ДЗ-99 оборудованные системами «Профиль- 1» и «Профиль-2».

   Орловский завод дорожных машин освоил выпуск новых автогрейдеров среднего типа ДЗ-31 оборудованные системами «Профиль- 1» и «Профиль-2»

   Блок-схема  системы «Профиль-2»

   С – сравнивающее устройство; ДУП, ДЩ – датчики ДУП и ДЩ; У – усилитель; И – исполнительный механизм

   Системы Профиль-10 и Профиль-20 аналогичны Профиль-1 и Профиль-2, но используют более совершенные датчики. (На базе универсальных бесконтактных приборов ДКБ, ДЩБ) 

   Система Профиль-10 и Профиль-20 устанавливается на серийных автогрейдерах ДЗ-31 
 

   Автоматизация асфальтоукладчиков 

   Для укладчиков покрытий у нас в стране и за рубежом приняты комбинированный и копирный способы автоматического управления рабочими органами. Комбинированный — при малой и средней ширине укладываемой полосы, а копирный — при большой ширине. Эти способы объединяют в себе система «Стабилослой-1 (2)» на асфальтоукладчиках ДС-48 и ДС-126, новая система автоматического управления асфальтоукладчиками «Стабилослой-10 (20)», а также система «Профиломат» для автоматизации комплекта машин ДС-110. 

   Стабилослой-1(2) обеспечивает:

    - автоматическую стабилизацию углового  положения рабочего органа укладчика в поперечной плоскости;

   — дистанционное, с поста управления машиниста, изменение угла установки рабочего органа укладчика в поперечной плоскости;

    - автоматическое управление положением  рабочего органа укладчика по  высоте подъема;

   — комбинированное автоматическое управление рабочим Органом укладчика по высоте подъема и по угловому положению и поперечной плоскости;

   — дистанционное (кнопочное) управление угловым положением и высотой подъема рабочего органа.

   Блок-схема  канала стабилизации системы «Стабилослой

   1 – задатчик; 2 – сравнивающее  устройство; 3 – усилитель; 4 – исполнительный механизм; 5 – гидроцилиндр; 6 – рабочий орган; 7 - ДУП