Автоматизация в строительстве (экскаваторы)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Автоматизация в строительстве (экскаваторы)

Содержание

Введение

1. Общие сведения о механизации и автоматизации строительства

1.1 Основные виды строительно-монтажных работ, их механизация и основные показатели оценки ее уровня

1.2 Автоматизация строительных процессов

1.3 Автоматизация строительных машин и технологических процессов в строительстве

2. Системы автоматизации экскаваторов

Заключение

Литература

Введение

Строительные и дорожные машины (СДМ) и оборудование используются для механизации работ на строительной площадке, производимых в разнообразных и быстроменяющихся условиях. Производительность и качество работы определяется знаниями, навыками, утомляемостью и другими личными особенностями машинистов, управляющих машинами.

Непрерывный количественный и качественный рост парка машин происходит быстрее увеличения численности машинистов высокой квалификации. Поэтому и вследствие ряда других причин все более актуальной становится задача автоматизации управления рабочими технологическими процессами строительных и дорожных машин и оборудования.

Автоматизация -- одно из направлений дальнейшего развития и повышения эффективности производственных процессов. Автоматизация освобождает человека от выполнения монотонных и утомительных операций, снижает зависимость эффективности работ от физического развития, производственных навыков и состояния здоровья машиниста. И главное, автоматизация позволяет внедрять в управление рабочими процессами машин передовые методы и неуклонно их использовать. Тем самым автоматизация позволяет повысить и поддерживать постоянный уровень эффективности работы машин, в частности их производительности.

Сложность рабочих процессов, выполняемых машинами, неоднозначность и изменчивость условий их работы, связанных с различными возмущающими воздействиями, определяют значительные трудности автоматизации, так как создаваемая система автоматического управления как заместитель человека- машиниста должна обладать соответствующими сложности процессов функциональными возможностями, достаточно развитой логикой действий. В настоящее время у нас в стране и за рубежом автоматизация технологических процессов и машин в строительстве определяется широчайшим использованием современных средств микропроцессорной и микроэлектронной техники, в том числе и бортовых систем управления и диагностики основных узлов СДМ на базе микропроцессоров.

1. Общие сведения о механизации и автоматизации строительства

1.1 Основные виды строительно-монтажных работ, их механизация и основные показатели оценки ее уровня

В строительстве различают подготовительные, земляные, дорожные, транспортные, погрузочно-разгрузочные, бетонные, свайные, отделочные, кровельные, санитарно-технические, электромонтажные и другие виды работ. В настоящее время строительные работы выполняются преимущественно с использованием машин, благодаря их высокой производительности по сравнению с работами, выполняемыми вручную. Это приводит к сокращению сроков строительства и снижению связанных с этим затрат. В то же время в строительстве имеются некоторые технологические процессы или отдельные операции, в которых еще сохранился ручной труд, в основном, из-за нецелесообразности их механизации.

Строительные процессы, в которых заняты машины, называют механизированными, а их обеспеченность машинами -- механизацией строительства, по отношению к которой строительные машины также называют средствами механизации. Различают полную и частичную механизацию. В первом случае все технологические операции строительного процесса выполняются машинами, а во втором на отдельных операциях используется также ручной труд.

В настоящее время для выполнения одних и тех же видов строительных работ используются различные типы и модели машин. В строительной практике при планировании организации работ приходится решать задачи оптимального выбора средств механизации для наиболее эффективного выполнения строительных работ. Подобные задачи возникают также при комплектовании парков машин управлений механизации для выполнения строительных работ более долгосрочного периода. В этих случаях ориентируются на показатели механизации, наиболее существенными из которых являются:

производительность труда на одного рабочего, численно равная отношению общего объема работ, выполненных в течение смены, к общему числу рабочих, занятых на этих работах;

стоимость единицы продукции, равная сумме всех денежных затрат, связанных с ее производством;

доля ручного труда, оцениваемая отношением объема или стоимости работ, выполненных вручную, к общему объему (стоимости) работ или отношением количества рабочих, занятых на ручных работах, к общему их числу. автоматизация строительство экскаватор

Эффективность механизации строительства будет тем выше, чем больше первый показатель и ниже два других. Эти показатели также зависят от таких основных параметров машин как их масса, мощность приводного двигателя и др. Так, при выполнении монтажных работ машинами малой мощности производительность труда в 8--13 раз больше того же показателя при использовании ручного труда, а в случае применения машин большой мощности это отношение может возрасти в 50--100 раз. Отношение стоимостей 1 т смонтированных машинами и вручную конструкций составит 0,4... 0,6 в случае применения машин малой мощности и в 3--4 раза меньше этого отношения в случае Применения машин большой мощности. Из этого сравнения еще не следует однозначный вывод о более высокой эффективности машин большой мощности. Их целесообразно использовать на массовых строительных работах, так как при ограниченных объемах этих работ, рассредоточенных по различным строительным объектам, и большой стоимости их перебазировок можно получить противоположный результат.

1.2 Автоматизация строительных процессов

Автоматизация технологических процессов предполагает оснащение машин устройствами, обеспечивающими выполнение строительных работ с помощью машин без оперативного вмешательства человека. В этом случае говорят об автоматизированной машине или автоматизированном комплексе. За оператором остаются лишь функции наблюдения за работой машины и переключения управления на себя в экстремальных ситуациях. Автоматизация -- это одна из наиболее эффективных форм системы управления, потому что она высвобождает полностью или частично человека от управления машиной. Важным положительным фактором автоматизации является гарантированная возможность более высокого качества строительных работ, в ряде случаев способствующая сокращению времени на их выполнение. Так, если для получения требуемого качества земляной поверхности при ее планировке неавтоматизированным бульдозером требуется совершить пять-шесть проходов по одному следу, то с применением автоматической системы управления такое же качество может быть получено за три-четыре прохода. Автоматические системы управления машинами лишены присущего человеку такого негативного фактора как физическая усталость, вследствие которой к концу рабочей смены у машиниста притупляется четкость в координации управленческих движений, что ведет к снижению производительности.

Применение автоматических систем управления как правило эффективно только при комплексно механизированном технологическом процессе, поскольку автоматизация высвобождает только рабочих-механизаторов, которые при частичной механизации составляют незначительную часть от общего числа рабочих, вследствие чего затраты на создание и обслуживание автоматических систем управления могут оказаться неокупленными. При частично механизированном строительном производстве возможный рост производительности машин за счет автоматизации их работы в ряде случаев не покрывает снижения их производительности из-за простоев по организационным причинам.

Автоматизацию называют полной или комплексной, если все основные и вспомогательные процессы управления автоматизированы так, что заданная производительность и качество продукции обеспечиваются без вмешательства человека, за которым остается только функция наблюдения за работой специальных устройств. Из сказанного следует, что путь к комплексной автоматизации лежит через комплексную механизацию строительных процессов.

Отметим еще два важных направления использования автоматических систем и устройств в работе машин и в механизированном строительном производстве в целом. В конструкциях строительных машин широко применяют автоматические устройства, предупреждающие запредельные режимы их работы, включая аварийные ситуации. Такие устройства могут выполнять только сигнальные функции -- выдавать световую, звуковую и иную информацию управляющему работой машины оператору (машинисту), предваряя экстремальные ситуации, или блокировать отдельные органы управления в том числе при автоматическом управлении.

Область второго важного направления применения автоматических устройств -- автоматический учет и контроль работы строительных машин и строительных процессов в целом с созданием надежной постоянно действующей связи между отдельными агрегатами и пунктами управления (конторами строительства, диспетчерскими узлами и т.п.). Эта область включает информацию о производительности труда, числе занятых в технологических процессах рабочих, фактическом времени чистой работы машин, состоянии их основных агрегатов и узлов, простоях машин с указанием причин, выработке машин, расходе энергии, горючих и смазочных материалов и т. п. По результатам обработки этой информации представляется возможность эффективно и оперативно руководить ходом строительства и работой парка строительных машин.

1.3 Автоматизация строительных машин и технологических процессов в строительстве

Существенное повышение эффективности строительного производства обеспечивается путем постоянного совершенствования технологии, организации, управления и используемого оборудования. Одновременно основное значение в указанных видах работ приобретает не только механизация, но и автоматизация и роботизация строительного производства.

Механизация и автоматизация строительного производства также постоянно совершенствуются, так как дают возможность увеличивать темпы строительства, снижать трудоемкость и стоимость работ, повышать их качество, улучшать и облегчать условия труда обслуживающего персонала, обеспечивать безопасность выполняемых работ, перейти к завершению полной механизации тяжелых и трудоемких процессов и от механизации отдельных простых процессов строительства к комплексной их механизации и автоматизации. В соответствии с этим в строительстве различают механизированные, комплексно-механизированные и автоматизированные виды работ.

При механизированных работах основные операции выполняются с помощью машин, оборудования, установок и инструментов, имеющих механический, электрический, пневматический, гидравлический и комбинированные приводы. Например, наиболее трудоемкая операция технологического процесса по отрывке грунта при производстве земляных работ выполняется экскаватором.

При комплексно-механизированных работах все основные и вспомогательные тяжелые и трудоемкие операции и процессы механизированы. В этом случае все машины, оборудование и другие средства механизации должны быть взаимосвязаны по производительности и обеспечивать заданный ведущей машиной темп работ при наивысших технико-экономических показателях. Например, при производстве земляных работ экскаватором выполняется отрывка грунта, автосамосвалом -- его транспортирование, а бульдозером, автогрейдером и уплотняющей машиной (катком, трамбовкой) -- зачистка, разравнивание, планирование и уплотнение грунга. При этом в указанном комплекте машин экскаватор является ведущей, а остальные -- вспомогательными машинами. Так как существующие типы и: типоразмеры машин не всегда могут обеспечить полное соответствие их производительности сменному потоку работ, то необходимо всегда выявлять образующийся между ними разрыв и подбирать такое сочетание, при котором не полностью используются только наиболее дешевые в эксплуатации машины или же ввод этих машин осуществлять на определенных этапах работ.

Автоматизация производственных процессов включает в себя понятия «автоматика» и «автоматизация», которые не следует отождествлять. Автоматика -- отрасль науки и техники, разрабатывающая георию и методы автоматизации производственных процессов, а автоматизация -- это применение технических средств автоматики, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в производственном процессе.

При автоматизированных процессах различают частичную, комплексную и полную автоматизацию.

Частичная автоматизация предусматривает применение автоматического оборудования, приборов и устройств на отдельных, преимущественно основных производственных операциях. Большинство строительных машин и оборудования оснащено такими приборами и устройствами для отключения или ограничения действия машин и их рабочих органов, учета работы, регулирования скорости движения рабочих органов, траектории их движения глубина копания траншей с заданным .уклоном для землероино-транспортных машин, подача сборных элементов к месту их установки по кратчайшему пути для монтажных кранов и др.) и т. д.

Комплексная автоматизация предусматривает применение системы связанных в единую технологическую линию отдельных агрегатов, машин, Приборов и устройств, осуществляющих все (как основные, так и вспомогательные) операции производственного процесса. При этом оператором или машинистом выполняются только операции пуска и остановки, а поддержание заданных параметров производственного процесса во всех его звеньях происходит автоматически.

Полная автоматизация позволяет выполнять не только все основные и вспомогательные производственные операции, но и полностью осуществлять автоматическое управление и контроль за процессами, в том числе изменение по заданной программе параметров и вида продукции.

В строительстве и промышленности строительных материалов автоматизированы производственные процессы на асфальто- и цементобетонных заводах, заводах железобетонных изделий и домостроительных комбинатах, а также на строительных, дорожных машинах и оборудовании при выполнении отдельных, обычно основных, операций.

Средства автоматизации разделяют на устройства управления, защиты, регулирования и контроля. В каждой строительной и дорожной машине используются различные комбинации указанных видов устройств, однако основным направлением является автоматизация управления рабочими органами. Управление по степени участия в нем человека можно разделить на неавтоматическое, автоматизированное и автоматическое. При этом следует отметить, что' в последнее время существенно изменилась аппаратура управления, используемая в строительных и дорожных машинах. Рассмотрим указанные системы управления и общие понятия автоматизации производственных процессов.

Неавтоматическое управление машиной бывает ручное и механизированное. В первом случае человек сам определяет необходимые действия по управлению технологическим процессом, осуществляет и контролирует их визуально или по показаниям простейших приборов.

Во втором случае технологический процесс (рис.1,а) управляется с помощью исполнительных механизмов, использующих дополнительную энергию (электрическую, сжатого воздуха или рабочей жидкости). При этом приборы через соответствующие преобразователи только информируют человека о нарушениях технологического процесса.

Рис.1. Структурная схема систем управления

При автоматизированном управлении (рис.1,б) часть операций технологического процесса осуществляется механизмами управления без участия человека. В этом случае сигналы преобразователей о нарушении технологического процесса принимаются не только приборами сигнализации, но и сервомеханизмами. Последние, воздействуя самостоятельно на механизмы управления, могут остановить действие рабочего органа или всей машины. на долю человека приходится работа по устранению неисправности (повторного запуска машины в работу.

Автоматическое управление (рис.1,в) предусматривает управление по командам преобразователей или программного механизма. Эта система состоит из двух основных частей: контролирующей I и управляющей II. При таком управлении человек занят только предварительной установкой определенной программы (алгоритма), устранением неполадок по сигналам преобразователей (регулировка и ремонт механизмов), а также пуском машины в работу или ее отключением. Так, в смесительных установках смеси различных марок готовятся каждая по своей технологии. Алгоритм технологического процесса для каждой марки смеси закладывается в память программного механизма, который и управляет последовательностью выполняемых операций от начала и до окончания каждого цикла в течение смены. При этом человек только устанавливает код требуемой программы управления для получения необходимой марки смеси. Запуск в работу и остановка машины при той системе управления осуществляются в определенной последовательности: при пуске электрическая цепь каждого двигателя предыдущего рабочего органа машины может быть включена только после пуска электрической цепи двигателя последующего рабочего органа и наоборот -- при отключении машины. Таким образом, рассмотренное управление технологическими процессами осуществляется системой автоматического управления (САУ), представляющей совокупность взаимодействующих между собой управляемого объекта и управляющего устройства без непосредственного участия человека и независимо от его квалификации. Автоматическое управление может быть местным и дистанционным и управлять работой одного или нескольких объектов (установок, машин, оборудования). Разновидностью автоматического управления является система автоматического регулирования (САР), поддерживающая постоянство или изменение по требуемому закону физической ветчины, характеризующей управляемый процесс. Здесь же следует отметить, что наряду с управлением и регулированием, в машинах используется и система автоматического контроля (САК) за состоянием объекта (узлов машины), за характером протекания технологического процесса или достижением предельных значений параметров как в машине и ее узлах, так и в готовой продукции (строительные материалы, сооружения).

Автоматизированное и автоматическое управление производственными процессами преимущественное распространение получило на предприятиях по изготовлению асфальтобетонных и цементобетонных смесей, а также при изготовлении серийных железобетонных изделий (плит, колонн, блоков и т.п.). Однако автоматизация все шире применяется в строительных и дорожных машинах при выполнении как отдельных операций, так и различных их комбинаций. В большой степени этому способствует широкий перевод большинства рассматриваемых машин на гидравлические (в основном объемные), системы управления рабочими органами. В отличие от механических эти системы позволяют снизить металлоемкость, эффективней использовать возможности регулирования положения рабочих органов или самой машины в пространстве и обеспечить повышение качества выполняемых работ и производительности.

В соответствии с этим в настоящее время для землеройных (одноковшовые, многоковшовые, цепные экскаваторы и т. п.), землеройно-транспортных (скреперы, бульдозеры, автогрейдеры и т. п.) и дорожных (катки, асфальто- и бетоноукладчики) машин, а также для стреловых самоходных и башенных кранов разработаны и внедряются микропроцессорные системы управления, регулирования, диагностики и безопасности.

При этом следует отметить особенности устройства и работы большого разнообразия и различного назначения строительных машин, которые должны быть положены в основу при разработке соответствующих систем управления. В строительных машинах, особенно в землеройно-транспортных и дорожных, необходимо управлять одновременно несколькими параметрами, такими как курс машины, продольный и поперечный уклон, оптимальная загрузка приводного двигателя при минимальном расходе топлива, подача и температура укладываемых материалов, осуществлять независимое регулирование в многоконтурных системах, компенсировать воздействия на объекты управления нагрузок от неровности поверхности земли и дороги, неоднородности разрабатываемой среды и распределяемых технологических материалов, температуры окружающего воздуха и скорости ветра, регулировать параметры в широком диапазоне времени (от долей секунды до нескольких часов) и т. д. Помимо этого для выбора требуемых параметров в машинах необходимо использовать специальные бортовые микроЭВМ.

В связи с развитием комплексной автоматизации в последнее время большое распространение в строительстве получают роботы и различные манипуляторы. Под манипулятором понимают механизм, осуществляющий под управлением оператора действия, аналогичные действиям руки человека. Строительный манипулятор не имеет в своей системе управления никаких вычислительных устройств. Однако для обеспечения ориентационного управления (т.е. точного позиционирования) в состав строительного манипулятора могут входить различные информационно-измерительные устройства (лазерные, телевизионные, радиоанализаторные). Строительный робот -- это манипулятор с системой автоматического управления, праммирование которым осуществляется посредством специальной рукоятки управления.

2. Системы автоматизации экскаваторов

Одноковшовые экскаваторы выполняют до 38% земляных работ в строительстве. При ручном управлении ими на зачистку и планировку дна котлована после копания остается слой грунта до 20 см. Поэтому внедрение на экскаваторах микропроцессоров и лазерных информационно-измерительных устройств для управления процессом копания позволяет повысить точность и качество выполняемых работ, снизить трудозатраты и численность обслуживающего персонала. В одноковшовых экскаваторах используются различные виды указанных устройств.

В одном случае при автоматизации работы экскаватора 1 с обратной лопатой на рытье траншей приемник лазерного излучения 3 крепится на ковше экскаватора (рис.2). Лазерный излучатель 2 устанавливается на дне траншеи в начале ее разработки с направлением пучка лазера вдоль оси траншеи с проектным углом наклона. В кабине машиниста располагается информационно-индикаторное устройство, на экране которого он по положению (перемещению) лазерного пятна определяет величину и направление отклонения ковша от заданных отметок и устанавливает ковш в требуемое положение.

Рис.2. Лазерная система автоматизации контроля работы экскаватора

Другая автономно-копирная система управления одноковшовым экскаватором 4 (рис.3 по лучу лазера 2 состоит из лазерного излучателя 1, информационно-измерительного устройства с датчиками Д1...Д5, установленными в шарнирах крепления рабочего оборудования, и механизмом перемещения фотоприемного устройства 3, а также микропроцессорного устройства 6, анализующего заданный закон управления рабочим процессом машины. Во время работы микропроцессорное устройство по сигналам датчиков вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на исполнительные устройства, т.е. на гидроцилиндры положения стрелы, рукоятки ковша для поддержания заданной глубины копания и требуемого угла резания. Управление работой машины осуществляется рукояткой 6, а рабочие параметры высвечиваются на дисплее 7. При этой системе копание производится вручную по индикатору глубины копания, а на зачистных операциях включается автоматическая система управления, обеспечивающая заданную глубину копания, прямолинейность траектории движения режущей кромки ковша и заданный угол резания. Наибольшую эффективность использования экскаваторов с лазерными системами дает применение бортовых микрокомпьютеров. В этом случае в память компьютера вносятся все необходимые данные, такие как геометрические размеры котлована, углы откосов, емкость, угол поворота, высота подъема ковша и т.п. Тогда во время работы в компьютер автоматически поступают сигналы с фотоприемника, а затем на исполнительные устройства для «моментальной» корректировки выполняемого процесса по отрывке траншеи или котлована.

Для гидравлических одноковшовых экскаваторов и погрузчиков, выполняющих длительные работы с постоянно повторяющимися циклами, разработана компьютерная система управления погрузочными работами. Наиболее эффективно эта система используется при отрывке траншей, планировке откосов, погрузке разрабатываемых материалов в транспортные средства, в шахтах и т.п. Она позволяет частично освободить машиниста от ручного управления при многократных повторениях выполняемых операций.

Рис.3. Автономно-копирная система управления экскаватором

Управление работающим в карьере экскаватором, оборудованным компьютерной системой, осуществляется следующим образом. Вначале машинист в ручном механизированном режиме управления выполняет все операции рабочего цикла экскаватора: заполнение ковша разрабатываемым материалом и его перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, остановка над самосвалом, разгрузка и возвращение в первоначальное положение. Запоминающее устройство компьютера фиксирует поступающую от датчиков информацию о проделанной траектории и скоростях движения ковша, о расположении самосвала и возможных помехах на пути следования ковша, например, задний борт самосвала. В результате обработки полученных данных компьютер устанавливает оптимальную траекторию и максимально возможные скорости перемещения ковша независимо от квалификации работающего машиниста и эргономических показателей, определяющих взаимодействие между оператором и машиной.

Разработанная компьютером программа оптимального перемещения ковша приводится в действие системой автоматики после включения соответствующей кнопки на пульте управления. Работа машиниста в ручном режиме остается только при заполнении ковша материалом. При перемещении экскаватора или погрузке во вновь прибывший самосвал необходимо опять выполнить один цикл в ручном режиме, заново «обучая» компьютер. С помощью переключателя машинист при необходимости в любой момент может перейти на ручное механизированное управление. Благодаря применению компьютерной системы управления не только повышается, но и стабилизируется максимально возможная производительность машины.

Автоматизированное устройство предназначеное для поддержания заданного положения, в том числе наклона дна траншеи, и оптимизации режима копания. Регулирование глубины копания с заданным углом осуществляется по проволочному канату малого диаметра 1, натягиваемому по нивелиру вдоль трассы траншеи параллельно ее будущему дну (рис.4). При движении экскаватора во время работы вдоль копирного каната 1 одновременно перемещается электромагнитное контактное устройство 2. Оно состоит из двух датчиков, между которыми проходит канат, и установлено на кронштейне, закрепленном на раме рабочего органа 4. Если рабочий орган экскаватора движется параллельно канату и последний не касается ни одного из датчиков, дно образуемой траншеи находится на проектной отметке.

Изменение заданного угла наклона Уэад ведет к изменению положения рабочего органа и замыканию контактов одного из датчиков слежения при соприкосновении с копирным канатом. Преобразованный и усиленный сигнал поступает на исполнительный механизм, приводящий в действие гидроцилиндр 3. При этом с помощью микропроцессора производится подъем или опускание рабочего органа до требуемой отметки. В то же время следует отметить, что изменение положения рассматриваемого рабочего органа по высоте осуществляется прерывисто (т.е. неравномерно).

В качестве базовой линии в процессе отрывки траншей могут использоваться и лазерные установки, принцип работы которых практически не отличается от изложенных выше.

Рис.4. Система автоматического управления глубиной копания траншейного экскаватора

Производительность обусловлена прочностью грунта и скоростью передвижения машины. При этом значительные колебания загрузки основных механизмов и снижение производительности экскаватора зависят от категории грунта, изменения сопротивления копанию, неровностей почвы и состояния режущего инструмента. Обеспечение максимальной производительности может быть достигнуто путем полной загрузки двигателя, что возможно только при наличии системы автоматического управления, регулирования и контроля рабочего процесса машины.

Заключение

В данной работе рассмотрены некоторые аспекты автоматизации в строительстве. Рассмотрен частный случай автоматизации работы экскаваторов. Оценка работы экскаваторов, оснащенных информационными системами, по данным зарубежных специалистов, положительна: производительность повышается на 8-10 % при одновременном снижении расхода топлива на 5-7%. Микропроцессорная система управления экскаватором позволяет в автоматическом режиме контролировать техническое состояние экскаватора и управлять его технологическими параметрами. Применение микропроцессорной системы позволит повысить выработку экскаваторов и их срок службы, улучшить качество производства работ и условия труда машинистов, сократить долю ручного труда на зачистных операциях.

Литература

1. Строительные машины: Учебник для вузов / Волков Д.П., Крикун В.Я., О.Е. Издание второе, перераб. и доп. М.: Ассоциация строительных ВУЗов, 2002. - 376 стр. с илл.

2. Белецкий Б.Ф. Технология и механизация строительного производства: Учебник. Ростов н/Д: Феникс, 2003. - 752 с.

3. Кудрявцев Е.М. Комплексная механизация строительства: учебник для студентов вузов, изд. 2-е перераб. и доп. - М.: АСВ, 2005 - 424 с.

4. Курс лекций по дисциплине «Строительные машины и оборудование», Уральский Федеральный университет им. Б.Н. Ельцина «УПИ».

Размещено на Allbest.ru