1.2 Состав и структура систем автоматического горизонтирования (саг)

При транспортировании различных специфических грузов, в строительстве, при буровых работах и в других областях техники достаточно часто возникает необходимость горизонтирования транспортных платформ (ТП). При этом используются различные подходы к построению систем горизонтирования. Измерение отклонения платформы от горизонтального положения может производиться визуально (при помощи отвеса или пузырькового уровня) либо при помощи системы определения ориентации в пространстве (СОИ), которая, в свою очередь, может являться частью более сложной бортовой информационно-навигационной системы. В процессе горизонтирования ТП может опираться либо на специальные опоры – аутриггеры, либо для этого может использоваться движитель ТП (колесный или гусеничный) с управляемой подвеской. Для осуществления горизонтирования в принципе могут использоваться различные приводы, но чаще всего это приводы гидравлические. Управление приводами в процессе горизонтирования может осуществляться как вручную с визуальным контролем, так и автоматически с использованием информации от СОИ. Автоматический вариант может быть значительно более точным и быстрым, обеспечивающим коррекцию положения в ходе использования платформы, однако для этого требуется значительно более сложная и дорогая система управления, использующая эффективные алгоритмы горизонтирования [3, 4, 5]. Горизонтирование платформы с использованием штатного движителя может осуществляться и в процессе движения.

1.3 Патентный обзор систем горизонтирования

Проведен анализ полезных моделей, относящихся к области машиностроения, и предназначенных для изделий, требующих выравнивая платформы в горизонтальном плоскости. [30, 31, 32].

Известно устройство для автоматического горизонтирования несущей платформы с расположенным на ней буровым агрегатом. Задача, на решение которой направлено устройство, - это обеспечение для современной техники требуемой точности и оперативности горизонтирования несущей платформы с буровым агрегатом и установка бурового агрегата в максимально устойчивое положение после горизонтирования. В заявляемом изобретении эта задача достигается путем автоматического управления горизонтированием несущей платформы с расположенным на ней буровым агрегатом. Порядок работы устройства:

• определяют положение бурового агрегата относительно рабочей площадки для установки его в рабочее положение;

• выдвигают по меньшей мере три гидравлических домкрата до соприкосновения с грунтом;

• несущую платформу с расположенным на ней буровым агрегатом устанавливают в горизонтальное положение в двух плоскостях по осям Х и Y и/или располагают бурильный агрегат вертикально или под определенным углом к оси Y;

Дополнительно вводится следующая последовательность операций:

• включают гидравлические домкраты и осуществляют предварительное выдвижение всех гидравлических домкратов до соприкосновения с грунтом;

• осуществляют давление на все гидравлические домкраты, равное или близкое к весу бурового агрегата;

• последовательно включают гидравлические домкраты и осуществляют кратковременное выдвижение гидравлических домкратов для гарантированного вывешивания бурового агрегата на гидравлических домкратах;

• формируют команду на автоматическое горизонтирование бурового агрегата, сначала по оси X, а затем по оси Y;

• анализируют положение несущей платформы с расположенным на ней буровым агрегатом по осям Х и Y, причем сначала анализируют положение по оси X, а затем по оси Y;

• используя результаты полученного анализа, корректируют положение бурового агрегата в процессе установки его в горизонтальное положение по осям Х и Y путем автоматического управления выдвижением гидравлических домкратов;

• формируют команду на окончание горизонтирования, если в процессе коррекции достигнуто одновременно горизонтирование по осям Х и Y несущей платформы и бурового агрегата;

Если в процессе коррекции не достигнуто горизонтирование по осям Х и Y несущей платформы и бурового агрегата, то формируют команду на повторение цикла горизонтирования, начиная с начала анализа положения несущей платформы с буровым агрегатом по оси X.

Коррекцию горизонтирования бурового агрегата осуществляют таким образом, что сначала анализируют положение бурового агрегата по оси X, используя начальные результаты анализа положения несущей платформы с буровым агрегатом по оси Х, при этом:

• если задняя часть бурового агрегата опущена, то осуществляют коррекцию положения бурового агрегата в соответствии с результатами полученного анализа по оси Y, затем формируют управляющий сигнал, по которому выполняют коррекцию гидравлическим домкратом, используя при этом результаты полученного анализа по оси X;

• если задняя часть бурового агрегата поднята, то осуществляют коррекцию положения бурового агрегата по оси X, включая гидравлический домкрат, который расположен по оси Y ниже, если по оси Y буровой агрегат стоит ровно, то горизонтирование осуществляют, включая заданный по умолчанию гидравлический домкрат, который расположен по оси Y, затем формируют управляющий сигнал, по которому выполняют коррекцию гидравлическим домкратом, используя при этом результаты полученного анализа по оси X.

В устройство автоматического горизонтирования несущей платформы с буровым агрегатом, введены:

• датчик давления, анализирующий давление на гидравлических домкратах;

• формирователь временного интервала, определяющий время кратковременного выдвижения домкратов;

• первый датчик уровня, анализирующий положение несущей платформы с буровым агрегатом по оси Х в процессе горизонтирования;

• второй датчик уровня, анализирующий положение несущей платформы с буровым агрегатом по оси Y в процессе горизонтирования;

• блок управления горизонтированием.

На рисунке 1.4 показана самоходная бурильная установка (например, типа СБШ-250 МНА-32), рисунок 1 иллюстрирует общий вид бурового устройства.

На рисунке 1.5 показана блок-схема устройства автоматического горизонтирования несущей платформы с буровым агрегатом.

На рисунке 1.6 показан блок управления горизонтированием, приведен в качестве примера выполнения.

Недостатком данного устройства является невозможность автоматического выравнивания в горизонтальной плоскости опорной платформы и большое время, которое тратится на приведение крана в рабочее положение.

Недостатками устройства также являются недостаточно точное горизонтирование платформы и возможность неравномерной нагрузки на опоры.

Известно другое техническое решение – устройство автоматического выравнивания опорной платформы. Техническим результатом является повышение точности выравнивания.

Отличительными признаками являются: наличие датчиков контакта штоков гидравлических цилиндров с опорной поверхностью, усилительного блока управления, выполненного в виде усилителя сигналов с датчиков наклона, сориентированных в продольном и поперечном направлениях, состоящих из тяжелого шарика, легкой шторки (например, пластмассовой), тороидального канала, кольцевой полости и светочувствительных элементов.

Управление устройством автоматического выравнивания опорной платформы осуществляется с пульта управления тумблером, управляющим трехпозиционным электромагнитным клапаном.

Заявляемое устройство изображено на рисунке 1.7 - вид сбоку; на рисунке 1.8 - датчик наклона; на рисунке 1.9 – принципиальная гидравлическая схема.

Рисунок 1.4 – Общий вид самоходной бурильной установки

1 - ход гусеничный, 2 - машинное отделение, 3 - несущая платформа, 4 - буровой агрегат (мачта), 5 - кабина оператора, 6 - пульт управления, расположенный в кабине оператора.

Рисунок 1.5 – Блок-схема устройства автоматического горизонтирования несущей платформы с буровым агрегатом

На рисунке 1.7 изображено устройство автоматического выравнивания опорной платформы, включающее следующие элементы: поворотную кабину 1, опорную платформу передвижного шасси 2, усилительный блок управления 3, датчики наклона 4, сориентированные в продольной и поперечной плоскостях опорной платформы, поворотную опору 5, панель управления 6, выносные гидравлические цилиндры 7 с датчиками контакта штоков гидравлических цилиндров с опорной поверхностью 8.

Рисунок 1.6 – Блок управления горизонтированием

Рисунок 1.7 ‒ Устройство автоматического выравнивания опорной платформы

На рисунке 1.8 изображен датчик наклона, включающий следующие элементы: тяжелый шарик 9, легкую шторку 10, тороидальный канал 11, кольцевую полость 12, светодиод 13 и фотодиод 14.

На рисунке 1.9 изображена принципиальная гидравлическая схема устройства автоматического выравнивания опорной платформы, включающая следующие элементы: выносные гидравлические цилиндры 7, гидравлический бак 15, насос 16, фильтр 17, трехпозиционный электромагнитный клапан 18 и двухпозиционные электромагнитные клапаны 19.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы оператор на пульте управления 6 переводит тумблер в положение опускания штоков выносных гидравлических цилиндров 7, которое происходит до их контакта с опорной поверхностью. После срабатывания датчиков контакта с опорной поверхностью 8 сигнал подается в усилительный блок управления 3 на включение автоматического выравнивания платформы.

Рисунок 1.8 – Датчик наклона

Рисунок 1.9 – Принципиальная гидравлическая схема устройства автоматического выравнивания опорной платформы

Выравнивание платформы происходит в два этапа. Вначале устраняется поперечный крен за счет синхронной работы пары боковых гидроцилиндров, расположенных слева или справа, в зависимости от направления наклона. Работа гидроцилиндров одного из бортов прекратится тогда, когда датчик поперечного наклона своей шторкой загородит светочувствительные элементы (например, фотодиод и т.д.). Далее в работу вступает пара передних или задних гидроцилиндров (в зависимости от направления продольного наклона), которые окончательно выводят платформу в горизонтальное положение.

Данное устройство обладает следующими недостатками. Выравнивание платформы происходит последовательно в два этапа (вначале устраняется поперечный наклон платформы, затем продольный), что занимает значительное время. Данный недостаток является следствием:

1) относительного расположения двух датчиков наклона и опорной платформы, один из которых измеряет поперечный наклон платформы относительно горизонтальной плоскости, а другой – продольный наклон платформы относительно горизонтальной плоскости;

2) ограничения на количество одновременно выдвигаемых гидроцилиндров. При автоматическом горизонтировании предусматривается возможность одновременной работы только двух из четырех гидроцилиндров опор (продольной пары, затем поперечной пары гидроцилиндров), причем только на выдвижение. Невозможно автоматическое горизонтирование одновременным выдвижением и втягиванием различных опор, что обусловлено гидравлической схемой устройства-прототипа. Все указанные недостатки увеличивают общее время горизонтирования платформы устройством-прототипом.

Кроме того, данное устройство не предназначено для постоянного отслеживания горизонтального положения платформы машины в процессе работы и автоматического ее выравнивания в случае последующего отклонения от горизонтального расположения, что также является его недостатком. Невозможно также постоянное отслеживание в рабочем режиме машины степени нагружения каждой из опор платформы (не предусмотрены соответствующие датчики), что не позволяет использовать устройство-прототип для контроля безопасности работ и аварийной остановки машины при возможном провале или проседании грунта под какой-либо из опор в процессе работы.

Известна автоматизированная оптико-электронная система горизонтирования грузоподъемной платформы задачей которой является сокращение времени затрачиваемого на горизонтирование грузоподъемной платформы при совершении погрузочных и разгрузочных работ с грузом. Задачей системы является сокращение времени затраченного на горизонтирование (ориентирование относительно поверхности земли) грузоподъемной платформы при совершении погрузочных и разгрузочных работ с грузом.

Сущность полезной модели поясняется чертежами (рисунок 1.10-1.12). На рисунке 1.10 представлен общий вид автоматизированной оптико-электронной системы горизонтирования грузоподъемной платформы специального объекта. На рисунке 1.11 представлена функциональная схема электронного устройства управления автоматизированной системой. На рисунке 1.12 представлен внешний вид оптического датчика горизонтирования.

Автоматизированная система горизонтирования грузоподъемной платформы специального объекта содержит платформу с установленным на ней грузоподъемным механизмом 1 и четыре гидравлических домкрата по краям платформы 2.

Система также содержит источник когерентного излучения 10, сосуд, заполненный вязкой жидкостью темного цвета с воздушным пузырьком внутри 9, фотоприемный элемент в виде линейки фотоприемных матриц с различным коэффициентом квантового выхода 8. Элементы 10, 9 и 8 расположены на одной оптической линии визирования 7 таким образом, что когерентное излучение источника проходя через центр пузырька сосуда 9 попадает на центральную фотоприемный элемент в составе линейки фотоприемных матриц 8 с различным коэффициентом квантового выхода первого типа 14, второго типа 15 и третьего типа 16.

Система также содержит схему электронного устройства управления 6 и исполнительный механизм компенсации погрешности горизонтирования 5, который включен в гидросистему платформы.

Схема электронного устройства управления 6 содержит операционный усилитель 11, амплитудно-фазовый детектор 12 и решающее устройство 13.

После опускания гидравлических домкратов 2 производится запитывание источника когерентного излучения 10. Когерентное излучение проходит через сосуд, заполненным вязкой жидкостью темного цвета с воздушным пузырьком внутри 9 и попадает на фотоприемный элемент в виде линейки фотоприемных матриц с различным коэффициентом квантового выхода 8. Линейка фотоприемных матриц с различным коэффициентом квантового выхода 8 представляет собой сборку из фотоприемных элементов трех типов. Каждый тип приемного элемента обладает различным коэффициентом квантового выхода, причем фотоприемные матрицы первого типа 14 с большим коэффициентом квантового выхода чем фотоприемные матрицы второго типа 15 и третьего типа 16. Количество и размер фотоприемных матриц определяется допустимыми отклонениями платформы с грузоподъемным механизмом от горизонта.

Рисунок 1.10 ‒ Общий вид автоматизированной оптико-электронной системы горизонтирования грузоподъемной платформы специального объекта

Элемент 10 жестко прикреплен к платформе с грузоподъемным механизмом 1, элементы 8 и 9 к гидравлическим домкратам 2. На выходе групп фотоприемных матриц в зависимости от интенсивности попадающего когерентного излучения, обусловленного положением воздушного пузырька в стеклянном сосуде 9 при наклоне платформы 1, появляется выходной сигнал в виде напряжения пропорционального величине коэффициента квантового выхода приемника.

Рисунок 1.11 ‒ Функциональная схема электронного устройства управления автоматизированной системой

Напряжение пропорциональное величине наклона платформы с грузоподъемным механизмом поступает в схему электронного устройства управления 6. Операционный усилитель11 обеспечивает усиление амплитуды напряжения сигнала ошибки до уровня необходимого для работы амплитудно-фазового детектора 12. На амплитудно-фазовом детекторе определяется величина сигнала отклонения, характеризующая угол наклона, и фаза сигнала отклонения, определяющая направление отклонения платформы с грузоподъемным механизмом 1. По значению данных величин, поступающих на решающее устройство 13, вырабатываются импульсы управления на исполнительный механизм компенсации погрешности горизонтирования 5, который включен в гидросистему платформы. Исполнительный механизм компенсации погрешности горизонтирования 5 по данным импульсам обеспечивает подачу или отвод рабочей жидкости в поршневые 3 и штоковые 4 полости гидравлических домкратов платформы 2. Данный процесс осуществляется до того момента, когда воздушный пузырек стеклянного сосуда с вязкой жидкостью черного цвета 8 будет находится на оптической оси визирования источника когерентное излучения 10 и центра фотоприемного элемента в виде линейки фотоприемных матриц 8. При попадании когерентного излучения источника 10 в центр первой группы фотоприемных матриц, формируется максимальное напряжение сигнала ошибки, автоматическая оптико-электронная система горизонтирования грузоподъемной платформы прекращает выдачу сигналов и в гидросистеме платформы формируется сигнал о закрытии гидрозамков домкратов 2. Работа автоматизированной оптико-электронной системы горизонтирования грузоподъемной платформы специального назначения прекращается.

Недостатком данной системы является невозможность постоянной коррекции углов наклона платформы, а так же длительное время затрачиваемое на горизонтирование.

Выводы по главе: проанализированы машины требующие вывешивания и горизонтирования опорной платформы. Рассмотрены состав и структура системы горизонтирования и вывешивания. Произведен патентный обзор систем автоматического вывешивания и горизонтирования.

Рисунок 1.12 – Внешний вид оптического датчика горизонтирования