1.5 Общие принципы построения и функционирования автоматических систем управления машинами и технологическими процессами

Основные понятия и требования к машинам. Любая машина представляет собой устройство, совершающее полезную работу с преобразованием одного вида энергии в другой. Она состоит из ряда механизмов различного назначения, объединённых общим корпусом, рамой или станиной.

Основные требования, характеризующие одновременно качество машины (это способность машины удовлетворять определённым потребностям, связанным с их назначением), можно представить рядом показателей:

1) назначение – характеризуется свойствами машины, определяющие основные функции обусловливающие область их применения. К этой группе относятся следующие показатели:

• классификационные, определяющие один или несколько основных параметров (передаточное число редуктора, вместимость ковша экскаватора, скрепера, грузоподъемность кранов, размеры отвала бульдозера и т.п.);

• функциональные и технической эффективности (обеспечение максимально возможной производительности при работе в любую погоду, любое время суток и года, минимальной стоимости единицы продукции при работе в конкретных производственных условиях), а также качества выполняемой работы;

• конструктивные, определяющие основные проектно-конструкторские решения машины (габаритные и присоединительные размеры; рабочее давление в гидросистеме; мощность привода; усилие на рабочем органе; скорости рабочих органов; ширина, глубина и радиус действия; тип ходового устройства и привода; наличие элементов автоматики; приспособленность к меняющимся условиям эксплуатации; возможность работать в стесненных условиях; достаточно высокая маневренность, проходимость, мобильность и устойчивость; минимальная масса; простота и прочность конструкции, легкость ее технического обслуживания и ремонта).

• маневренность - способность машины передвигаться и разворачиваться с минимальным радиусом поворота в стесненных условиях стройплощадок и при транспортировании.

• проходимость - способность машины преодолевать различные неровности местности, небольшие водные преграды, двигаться по грунтам со слабой несущей способностью и снежному покрову. Она характеризуется видом ходового оборудования, силой тяги, удельным давлением на опорную поверхность (грунт, дорожное покрытие), величиной дорожного просвета (расстоянием от нижней точки машины до опорной поверхности), а у колесных машин радиусами продольной и поперечной проходимости.

• мобильность - способность машины к достаточно быстрому перемещению с объекта на объект с минимальной трудоемкостью перевода ее из транспортного положения в рабочее и обратно.

• устойчивость - способность машины противостоять действию сил, стремящихся опрокинуть ее при рабочем процессе и перемещениях на подъемах, спусках и косогорах.

2) надежность характеризует общее свойство машины сохранять свою работоспособность во времени и включает в себя такие понятия как работоспособность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

• работоспособность - состояние машины, при котором она способна выполнять заданные функции и сохранять значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

• безотказность - свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Она в свою очередь, характеризуется:

- сопротивляемостью элементов конструкции разрушению, износу, коррозии и т.п.;

- стабильностью физико-механических свойств конструкционных материалов;

- стабильностью рабочих процессов в сборочных единицах, агрегатах и системах.

Для таких причин нарушения работоспособности как коррозия, облучение, действие внешних температурных факторов и т.п., время работы до отказа оценивается календарной продолжительностью работы машины (месяцы, годы) и называется сроком службы до отказа, а регламентированное время работы машины - сроком службы.

Для большинства машин основное значение имеет продолжительность работы (в отработанных часах) или выполненный объем (число циклов, масса или объем переработанных материалов, производительность и т.п.), поэтому время работы до отказа в этом случае называется наработкой на отказ, а регламентированное время работы машины - ресурсом.

• долговечность - свойство машины сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

• ремонтопригодность - приспособленность машины к предупреждению, обнаружению и устранению причин повреждений (отказов) путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Отказ - нарушение работоспособности машины. Все виды отказов делятся на две группы А и Б:

- группа А - из-за нарушения элементов (поломки, деформации, износ, обрыв проводов, короткое замыкание и т.п.);

- группа Б - вследствие нарушения качеств функционирования (нарушение регулировок, засорение гидросистемы, течь в местах соединения шлангов и т.п.).

Отказы классифицируются:

- по частоте - единичные и повторяющиеся;

- по взаимосвязям - первичные (независимые) или вторичные (зависимые), вызванные действиями другого отказа;

- по условиям возникновения - возникшие при выполнении основных функций или при хранении, транспортировке, на холостом пробеге;

- по уровню внешних воздействий - при нормальных или ненормальных (отклонение от правил техобслуживания и управления, при недопустимых нагрузках и т.п.) условиях работы;

- по внешним проявлениям - явные (быстрое обнаружение) и скрытые (время обнаружения выше установленных норм);

- по виду - легкие (разрушение прокладки), средние (вызывают остановку машины для ремонта), тяжелые (значительные разрушения);

- по сложности устранения - требуют проведения технического обслуживания, текущего или капитального ремонта;

- по способности к восстановлению - устраняемые в эксплуатационных или стационарных условиях;

- по возможности прогнозирования - прогнозируемые (диагностическими приборами от изменения параметров, наработки, возраста) или непрогнозируемые;

- по характеру изменения параметров - постепенные (начинаются сразу после начала работы машины, зависят от длительности работы и связаны с процессами износа, коррозии, усталости и ползучести материалов); внезапные (сочетание неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности машины к их восприятию, возникают через некоторые случайные промежутки времени, не зависят от состояния машины и длительности предыдущей работы, а процесс протекает быстро) и сложные (включают особенности предыдущих отказов, время возникновения - величина случайная, а скорость процесса зависит от сопротивляемости элементов машины);

- по последствиям - отказы функционирования (связаны с повреждениями отдельных элементов машины, которая не может выполнять свои функции: выкрошился зуб шестерни, насос не подает масло в систему, не заводится двигатель внутреннего сгорания) или параметрические (машина выполняет свои функции, но работает за пределами своих технических требований - характеристик: загазованность воздуха, падение КПД передачи, снижение давления в рабочей жидкости гидросистемы). Оба вида отказов могут быть как постепенными, так и внезапными (в последнем случае отказ будет параметрическим, если потеряна точность работы машины или ее элементов, и функциональным, если произошло заклинивание одного из механизмов).

Предельное состояние машины возникает при невозможности ее дальнейшей эксплуатации.

В строительных машинах различают три группы элементов, отличающихся характеристиками предельных состояний:

- группа А - невосстанавливаемые элементы после первого отказа (пружины, подшипники качения, зубчатые колеса, уплотнения, тормозные накладки);

- группа Б - восстанавливаемые элементы и простые системы, имеющие в эксплуатации более одного отказа. Их работоспособность до предельного состояния поддерживается регулировкой, очисткой, заменой элементов и т.д. Предельное состояние - отказ, вызывающий необходимость в восстановительном или капитальном ремонте;

-группа В - сложные системы (машины в целом). Работоспособность их до предельного состояния поддерживается в результате проведения мероприятий по техническому обслуживанию и текущему ремонту. Предельное состояние наступает при возникновении необходимости в капитальном ремонте или списании машины.

3) ремонтопригодность машин включает в себя следующие основные понятия:

- доступность (удобство осуществления осмотра по регулировке и замене деталей руками и инструментом с отсутствием работ на ощупь и с минимальными объемами дополнительных работ и минимальной утомляемостью рабочих);

- контролепригодность (возможность контроля технического состояния элементов машин при профилактических мероприятиях, а также поиска отказавшего элемента или причины неисправности с помощью специальных методов и средств, к каковым относятся диагностическая аппаратура, индикаторы давления, температуры, загрязненности фильтров и т.п.);

- легкосъемность (замена сборочных единиц или агрегатов с минимальными затратами времени и труда, определяемая массой, габаритами, системой крепления и конструкций разъемов съемного узла);

- взаимозаменяемость (характеризуется объемами пригоночных работ при установке однотипных элементов);

- блочность и агрегатность (возможность демонтажа и монтажа на машину сборочной единицы или агрегата без предварительной разборки его или смежного с ним узла);

- степень унификации (использование однотипных деталей и сборочных единиц в разных машинах, особенно на ограниченном пространстве применения последних).

Все показатели надежности носят вероятностный статистический характер.

4) стандартизация и унификация характеризуют насыщенность машин стандартными, унифицированными и оригинальными деталями и сборочными единицами.

Стандартизация предусматривает введение обязательных норм - стандартов, которым должны соответствовать определенные детали, сборочные единицы и параметры машин при проектировании, изготовлении и эксплуатации. По заводским и отраслевым нормам, государственным (ГОСТ) и международным (ИСО) стандартам выпускается большое количество деталей и узлов (крепежные детали, подшипники, редукторы, гидроаппаратура, системы и приборы автоматизации), применяемых в машинах различного назначения, а также устанавливаются вместимость ковша экскаватора, грузоподъемность трубоукладчика и др.

Конструкцию машин допускается изменять и совершенствовать. В соответствии с этим используется взаимозаменяемость деталей и узлов, позволяющая производить их сборку или замену без предварительной подгонки.

Взаимозаменяемость основана на широкой унификации, т.е. на рациональном сокращении номенклатуры однотипных деталей и сборочных единиц для применения их в разных машинах, а также и в однотипных машинах.

Наличие стандартов позволяет осуществить массовое изготовление по новейшей технологии деталей и узлов, повышение их качества (ведущее к надежности и долговечности) и снижение затрат времени, труда материалов и средств при проектировании, изготовлении и эксплуатации машин.

5) эргономические требования отражают взаимодействие человека с машиной и делятся на:

• гигиенические - соответствие кабины условиям жизнедеятельности и работоспособности машиниста (размеры кабины, освещенность, вентиляция с фильтрами для очистки воздуха, вибрация, пыле- и газонепроницаемость и т.д.);

• антропометрические - соответствие рабочего места и его частей форме, весу и размерам тела машиниста (удобное, регулируемое по высоте и горизонтали сиденье машиниста, регулируемые подлокотники, расстояние до рычагов, рукояток и кнопок управления и т.д.);

• физиологические и психофизические - соответствие рабочего места физиологическим свойствам машиниста и особенностям функционирования его органов чувств (скоростные и силовые возможности машиниста требуют легкое механизированное или автоматизированное управление; пороги слуха, зрения и т.д.);

• психологические - соответствие рабочего места машины возможностям восприятия и переработки информации, соответствие закрепленным и вновь формируемым навыкам человека.

Частично эргономические требования; представлены в требованиях безопасности.

6) эстетические требования характеризуются информационной выразительностью (соответствие формы назначению), рациональностью форм, целостностью композиции, совершенством производственного исполнения, соответствием современному стилю, внутренней и внешней отделкой и окраской, согласованностью с окружающей средой, удобством расположения и четкостью исполнения фирменных знаков, марок, указателей и т.п.

7) экологические требования учитывают вопросы, связанные с охраной окружающей среды при эксплуатации машин. К ним относятся выявление возможностей механических (нарушение земной поверхности и растительности), химических (содержание и вероятность выбросов вредных частиц, газов, масел, топлива, излучений не только при эксплуатации, но и при хранении и транспортировании), световых, звуковых, биологических, радиационных (растительный и животный мир) и других воздействий на окружающую среду с целью их ограничения до допустимых пределов.

8) безопасность должны обеспечивать конструкция машины, меры и средства защиты людей, работающих на машине и рядом с ней при эксплуатации, монтаже-демонтаже, ремонте, хранении, транспортировании, в зонах возможной опасности, в том числе в аварийных и послеаварийных ситуациях от механических (защита движущихся элементов машины кожухами, заносы и устойчивость, на поворотах и при вращении поворотных платформ, в продольном и поперечном направлениях против опрокидывания), электрических (замыкания в электроцепи), тепловых (разогреваемые строительные материалы, пар, повышенная температура воды, двигателя, сварка и наплавка) воздействий, ядовитых и взрывчатых паров, шумов, радиоактивных излучений и т.п.

Снижение травматизма достигается повышением прочности и жесткости конструкции кабины, использованием на них безосколочных стекол, установкой на окнах защитных решеток, а в потолке - аварийного люка, обеспеченностью звуковой и световой сигнализацией и приборами, предупреждающими о критических ситуациях и при взаимодействии с совместно работающими рабочими, автоматическими устройствами безопасности и блокировки. Большое значение имеет обзорность, т.е. хорошая видимость и освещенность рабочих органов и окружающих их участков рабочей среды, в том числе с круговым обзором для мобильных машин. На машине должны устанавливаться огнетушители, противоосколочные козырьки, стеклоочистители, омыватели и устройства, исключающие обледенение и запотевание стекол, обогревателей для холодного времени года, кондиционеров для жаркого и тропического климата и т.д.

9) технологичность предусматривает оптимальное распределение затрат материалов, средств, труда и времени при подготовке производства, изготовлении деталей, сборке и отделке узлов и машины в целом, эксплуатации и ремонтах (в том числе удобство замены узлов и агрегатов), возможность использования прогрессивных технологий с автоматизацией процессов путем внедрения манипуляторов и промышленных роботов.

10) Транспортабельность машин и оборудования должна обеспечить их приспособленность к перемещению в пространстве на транспорте (автомобильном, железнодорожном, водном, воздушном), с прицепом, на специальных транспортных средствах и своим ходом с минимальными затратами труда и времени на подготовительные операции (укладка в тару, упаковывание, частичный демонтаж, погрузка, крепление и т.п. с противоположными операциями после перевозки).

11) патентно-правовые требования предусматривают патентные чистоту (оригинальные решения в конструкции машин) и защиту (заявки на изобретения в нашей стране, патенты в странах предполагаемого экспорта) машин и являются основным фактором при определении их конкурентоспособности, для возможной реализации не только в стране, но и на внешнем рынке.

12) экономические требования характеризуются ценой и экономическим эффектом, определяемыми на стадиях проектирования, подготовки производства, изготовления, испытаний и эксплуатации при соответствующем увеличении производительности, снижении массы машины, стоимости перерабатываемой продукции и улучшении качества выполняемых работ.

Все вышеизложенные требования, предъявляемые к строительным машинам и оборудованию, регламентируются соответствующими заводскими, отраслевыми, государственными и международными правилами, нормами и стандартами.

Практически все машины состоят из ряда основных сборочных единиц, к которым можно отнести ходовое, силовое и рабочее оборудование, трансмиссии и системы управления, установленные на общей раме (неповоротной, поворотной) или станине.

Каждая машина имеет ряд документов, без которых невозможно ее изготовление, эксплуатация и ремонт. Основными являются:

• чертеж общего вида - документ, определяющий конструкцию машины, взаимодействие ее основных частей и поясняющий принцип действия;

• сборочные чертежи и чертежи деталей - документы, изображающие деталь и данные для ее изготовления и контроля (размеры, обработка, допуски, посадки) или сборочную единицу и данные для ее сборки и контроля;

• схемы - документы, на которых в виде условных обозначений показаны составные части машины и' связи между ними (кинематическая для механического привода, электрическая, гидравлическая, пневматическая и др.);

• техническое описание и инструкция по эксплуатации;

• инструкция по монтажу, демонтажу и перевозке (по необходимости).