Universitte Dunăre de Jos din Glţi Şol Dotorlă de Inginerie TEZĂ DE DOCTORAT CONTROU PROCESUUI DE SĂPARE A EXCAVATOAREE CU O CUPĂ CONTRO OF DIGGING PROCESS ON SINGE BUCKET EXCAVAOR Autor: urenţiu CURDUMAN Conduător ştiinţifi : prof univ.dr.ing.dr.h.. Polidor-Pul BRATU Membru titulr l Ademiei de Ştiinţe Tehnie din Romni Universitte Dunăre de Jos din Glţi
Prezent lurre porneşte de l o relitte prului tul de exvtore din Români şi nume ee ã uzur morlã lor este vnsntã. Mi onret stre meniã este bunã în shimb lips utomtizãrilor sistemului hidruli due l o perfomnţã sãzutã lor. Prul tul l exvtorelor hidrulie din Români este onstituit, în mre mjoritte lui, din utilje fbrite de produătorul PROMEX S.A. Brăil, ãror pitte nominlă upei este uprinsă în următorele tegorii: 0,4 m ; 0,6 m ; 0,8 m ; 1,0 m ; 1, m ; 1,8 m. Aeste utilje u l bză soluţii onstrutive şi de ţionre onepute l nivelul tehni l unoşterii în domeniu de um 0-5 de ni, spet re indiă neesitte duerii estor l un numit nivel de îmbunătăţire performnţelor tehnologie; urre propune o soluţie tehniã ieftinã şi esibilã multor proprietri de exvtore prin folosire unor plãi eletronie progrmbile împreunã u o serie de senzori peum şi înlourire ehipmentelor hidrulie ( distribuitore, ilindri hidrulii) u unele noi e pot fi omndte eletri ( în prinipl omndã pe 1 V). În ee e priveşte prte eletroniã se propune o plã progrmbilã RspberryPi re este un single- bord omputer u un open soure hrdwre şi fost relizt şi dezvoltt în Mre Britnie de ãtre Rspberry Pi Foundtion pentru promov învãţãmântul în bzele omputerelor pentru ţãrile în urs de dezvoltre. Ulterior devenit forte populr pentru fbrinţii mtori su profesionişti de roboţi. Pentru onvertire semnlelor de intrre din nlogi (ş um vin de l senzori ) în digitl ( pentru prelurre lor numeriã de ãtre plã ) se folosește o interfţ de tip onvertor (onverter hip) de tipul MCP008 DIPADC.Aestei plãi îi v fi tribuit rolul de ontroller proesului tehnologi. 1
O stfel de plã se prezntã în figur de mi jos. Aest tip de miroomputere u vntjul ã fiere pin pote fi omndt prin progrmul sris de ãtre utiliztor. imbjul de progrmre este Pyton un limbj de progrmre de înlt nivel, uşor de sris (utilizezã spţii lbe pentru delimitre blourilor ) re permite utilizre de instruţiuni lre. Aestă plă re 40 pini și sigură intrre su ieșire unui semnl (Generl Purpose Imput Output - GPIO) pe bz unei funţii progrmte. Funţiile esor pini este dt în figur de mi jos Astfel vem nou onept tehni de sistre omezilor (denumit ssist), prin introduere miroomputerelor de bord
Brt Cup Mner Deplsre senil stg. Pornind de l ele de mi sus lurre se struturezã stfel : pitolul se referã l stdiul tul l eretării în domeniul ontrolului proeselor de luru. Aest studiu fost efetut pe tipuri de exvtore fbrite în Români ( Promex), uprinzând gm de tipo-dimeniuni pității upei uprinsă între 0,4..., m şi le produãtorului Volvo modelul EC 460. Prezentre s- referit l pitte upei şi digrm de luru exvtorului. În drul estui pitol s- prezentt shem de prinipiu ţionãrii hidrulie flte pe un exvtor pe şenile. M M M RP RP DH MR MR MR MT CD P1 GR MS P Rotire pltform Deplsre senil dr. P MS P4 MS În drul estei sheme vem trei grupuri de elemente hidrulie: - de pompre - de distribuţie - de ţionre hidruliã ( ilindrii hidrulii şi hidromotore)
Grupul de pompre este lătuit din motor termi (MT) şi pompe u ilindree vribilă (P 1, P ), reunite în eeşi rsă re onţine tât uti de distribuţie, ât şi regultorul uni l elor două pompe SR P1 ER P1 GR P1 P P P GR Grupul de distribuiţie pote fi monoblo su bterie u seţiune de intrre re onţine proteţi priniplă şi proteţii seundre şi ntivitţionle pe iruitele onsumtorilor. Deshis Inrt Ininte Inpoi Mrs sen.dr. Brt Cup Mrs sen.stg P T Mner Rotire Trs Stg. 4
CDS Brt Rotire pltform În zul exvtorului u pneuri vem o ţionre u o singurã pompã hidruliã MT P RDS Cup Mner Mrs Rotire T su u douã pompe hidrulie DH1 DH Brt Cup Mner Mrs Aux. P1 P RS MT T Aţionre OAD SENSING (S) exvtorelor pe pneuri onstă în reglre S ilindreei pompei şi utilizre distribuitorelor hidrulie. Grupul de ţionre deplsării exvtorului este în iruit deshis vând motore hidrulie rpide u ilindree vribilă, uplte l o utie de viteze u două trepte. Trept I de viteze este speifiă deplsării tehnologie exvtorului, respetiv 5
deplsării în frontul de luru, ir trept II- pentru deplsre pe drumuri publie, între puntele de luru. R I II R CV MH DF TCF TCS DS R R Punte ft Punte spte În ee e priveşte stdiul tul l eretărilor în domeniul monitorizării proesului de luru pentru ţionre în iruit deshis şi înhis, u ontrol eletroni l proesului de luru se folosește sistemul dptiv u miroproesor re este utilizt l exvtorele medii şi mri şi re prinipl rol ontrolul optiml l onsumurilor energetie le utiljului. 5 5 6 6 1 1 4 4 14 7 7 15 8 11 10 9 6
Prin monitorizre proesului de luru pentru ţionre în iruit deshis şi înhis, u ontrol eletroni l proesului de luru se urmãreşte ontrolul eletroni l mişărilor utiljului tât prin funţi de ssist ât şi prin funţi de învăţre, stfel: ) pentru funţi de ssist: - suprveghere prmetrilor uleiului hidruli re sunt: o presiune ărei vlori pot fi monitorizte în orie punt l sistemului hidruli; o debit ărei vlori pot fi monitorizte în orie punt l sistemului hidruli; o tempertură u ţionre de pornire utomtă ventiltorelor de răire flte pe rezervorul de ulei hiruli ând est depăşeşte o numită vlore; o ntitte minimă de ulei hidruli prin ţionre supr motorului termi (blore injetore) ând ntitte din tn este minimă. - ontrolul elor doi prmetri de bză în ţionările hidrulie şi nume presiune şi debitul înepând de l ieşire din pompă până l intrre în ilindri hidrulii su hidromotorele pentru deplsre su rotire: o reduere presiunii în ilindri tuni ând pistonul se propie de mximum ursei; o reştere proporţionlă presiunii în zul mrşului hidromotorelor; o reştere proporţionlă presiunii în zul ând ilindrii intră în srină; o menţinere unei presiuni minime în poziţi stnd by. Folosre ontrolului eletroni dã posibilitte optimizãrii D mișărilor pe re le exeută up e v fe poziţionre estei sã fie preisã influenţând litte sãpãturii, ir pe de ltă vem o ţionre preisã distribuitorelor u onseinţ due minimizãrii ntității de ulei presurizt re junge l tn. 7
În pitolul se nlizã performnţelor omponentelor de ţionre pentru exvtorele u o upă. Reglre diretă pompei se relizezã prin ţionre ilindrului hidruli de omndă ilindreei pompei. Pompele u debit vribil vând un dis înlint sunt ele mi pretbile folosirii reglãrii presiunii u jutorul uni miroomputer. Pentru este pompe se mi pote folosi un ompenstor hidruli pe prinipiul formării unei diferenţe de presiune ΔP dt de un orifiiu u seţiune vribilă estã metodã fiind e mi pretbilã reglãrii menie ( mnule su dispozitive menie) 8
Reglre mişării vitezei de ţionre ilindrilor se fe de regulã u o suppă de refulre re re drept sop deversre unei ntităţi de fluid l tn, dei diminure debitului re intrã în ilindru. Aestã metodã este e mi folositã în zul utilizãrii miroomputerelor pe exvtor. O ltã metodã este onetre E.C.U. (Eletroni Control Unit ) l motorelor termie u ontrollerul. Pentru reglre meniã mişãrii ilindrului este neesrã o suppã de refulre pilottã eletri, ir l pãtul ursei se foloseşte un limittor de ursã re înterupe lmentre bobinei suppei u onseinţ deversãrii fluidului l tn. oul unde se opreşte ilindrul depinde de mi mulţi prmetri e nu pot fi ontrolţi de ătre utiliztor el mi importnt fiind forţ de inerţie msei ţionte. 9
ontrolul eletroni l presiunii se foloseşte un senzor de presiune montt l pãtul ilindrului. Semnlul nlogi dt de senzor se introdue într-un ip e îl trnsformã în semnl digitl prelut de ontroller. Aest din urmã sote un semnl puls pus în bz unui trnzistor e trnsfmã urentul ontinuu de 1 V într-un semnl identi u plãii. 10
Semnlul puls de 1V se due în bobin e pilotezã distribuitorul ilindrului de ţionre înlinţiei plãii pompei, fiind nevoie de est sistem pentru nu înãlzi bobin. Pentru regljul mişãrii ilindrului se v folosi un senzor Temposoni Mgnetostritive, Absolute, Non-ontt iner- Position Sensors re vine montt diret pe est Şi în est z distribuitorul ilindrului este el re re rolul de reglre mişãrii estui tât în ee e priveşte vitez de deplsre ât şi oprire lui într-o numitã poziţie. Pentru estã operţiune pl re posibilitte de modifi frevenţ semnlului stfel înât plunjerul distribuitorului pte fi pus pe 11
orie poziţie din urs lui obturând mi mult du mi puţin orifiiul prin re vine fluidul de l pompã. exemplu de modifire fevenţã semlului puls 10 µs şi 15 µs. 1
În p 4 se nlizezã. omportre inemtiă în timp rel exvtorelor u o upă în proesul de luru folosind un studiu inemti preum şi o simulre numeriă. Pentru studiul inemti se propune shem de lul simplifită, prezenttă în figur de mi jos. y brt A 1 mner A 1 1 01 up A A 0 01 x d teren Evlure trietoriei upei în funţie de prmetrii struturli ( 01, 1, ) şi de ei funţionli (x A şi y A ), de bză, în sistemul de oordonte xoy, se fe în onformitte u shemtizre din fig. 4.. În este ondiţii, oordontele în pln vertil le muhiei tăietore orgnului de luru (up) sunt dte de expresiile următore : 1 01 os 1 01 os xa 01os 01 1os ya 01sin 01 1os 1 01 1 01 în re dependenţ dintre ele trei deplsări unghiulre este dtă de relţi: 1
01 1 d, unde δ este unghiul de înlinre l profilului impus l săpăturii în rport u x orizontlă. Deplsre unghiulră α 1 pătă următore expresie : osd 1 01 d rsin, 1 unde prmetrul ξ re următore formă: os sin d tnd 01 sin 01 osd b 01 01 prmetrii (, b) fiind oordontele în plnul vertil le unui punt pţinând dreptei suport trietoriei de săpre impuse. Modifire prmetrilor funţionli în onformitte u erinţ iniţilă unei trietorii impuse pentru orgnul de luru pote fi reliztă prti prin ţionre orespunzătore fieărui subnsmblu l ehipmentului (brţ, mâner, upă). Pentru est este neesră evlure relţiilor de legătură dintre prmetrii funţionli (α 01, α 1, α ) şi prmetrii de omndă (lungimile efetive instntnee le fieărui ilindri hidruli de ţionre yl1, yl, yl )., 14
15 Ţinând ont de prmetrii geometrii struturli şi funţionli, indiţi pe modelul din figur 4.8 şi utilizând următorele notţii neesre simplifiării modului de formulre expresiilor finle 0 0 x y, b, 4 0 4 4 rtn os d d rezultă expresiile lungimii totle instntnee fieărui ilindru hidruli de ţionre în funţie de prmetrii onsiderţi 01 0 01 1 0 01 0 0 0 0 ros rtn os 1 x y yl 0 01 1 0 01 1 0 01 1 1 rtn ros os b b yl d d d d d d yl 1 4 1 4 4 4 4 6 4 6 1 1 4 6 ros ros rtn rtn os... Aest nsmblu de orelţii re, în finl, trebuie să fă legătur funţionlă dintre semnlul de omndă şi evoluţi prmetrilor l orgnul de luru neesitã implementării unui sistem utomt re să sigure preizi neesră l orgnul de luru.este evident ã existã douã posibilitãţi pentru obţine o sãpãturã de preizie : - relizre şi implementre unui simultor omputerizt pentru nliz dinmiii unui ehipment de exvre u o upă în timpul săpării pe o trietorie impusă u jutorul unei pliţii informtie - introduere în memori plãii unor unghiuri minime şi mxime pentru brţ mâner şi upã st omndând sãpre
În p 5. s- prezentt modelre fiziă şi numeriă performnţelor de ţionre pornind de l identifire, prelure şi implementre unei sheme operţionle pentru sistemul de ţionre hidrosttiă u motor linir ilindru hidruli. Aestă shemă este lătuită din următorele grupe funţionle și nume: sistemul de reglre ilindreei pompei, formt din distribuitor proporţionl u omndă eletriă proporţionlă (1), ilindrul de poziţionre bloului pompei (), regultorul de poziţie de tip proporţionl (P) - (); ţionre propriu-zisă, formtă din pomp u ilindree vribilă (4), ilindrul sistemului de ţionre, u dublă ţiune (5), srin msiă (6); sistemul eletroni de reglre, inlusiv iruitele eletrie de prelurre informţiilor pe le eletroniă. Shem blo sistemului de omndă şi ontrol ţionării este urmãtore : 16
În urm simulãrii numerie s- observt ã regimul dinmi este rterizt în nsmblu de frevenţe ridite şi mplitudini reduse, ee e orespunde, în generl u observţiile experimentle, vlorile mxime pentru erorile poziționării ilindrilor de ţionre sunt 0,016 m pentru ilindrul brţului, 0,00 m pentru ilindrul mânerului şi respetiv 0,004 m pentru ilindrul upei, ee e l lungimi le ursei ilindrilor respetivi în jurul vlorii medii de 1, m însemnă o erore ursei de proximtiv 1,7% din est; Evoluţiile rterizte de un regim dinmi intens sunt speifie shimbărilor bruste (rpide) de referinţă în sistemul utomt, stfel înât est luru pune în evidenţă neesitte de dpt prmetrii rteristii i sistemului de ontrol şi omndă u întreg nsmblul hidruli şi meni ţiont, eventul utilizre unui regultor utomt u uto-justre permnentă prmetrilor l ondițiile efetive impuse de regimul de luru. Regimul dinmi l upei, deşi este rterizt de mplitudini minime, re o evoluţie în zon frevenţelor superiore, în timp e brţul şi respetiv mânerul u mplitudini onsiderbil mi ridite vlore, dr frevenţele de osilţie sunt mi săzute. Se observă de semene fptul ă tât brţul, ât şi mânerul u un regim dinmi delt pozitiv fţă de semnlul de referinţă pe digrmele respetive le erorilor de poziţionre se observă o btere de l lini de nul, în timp e up osileză în jurul vlorii impuse prin referinţă. 17
În p 6 s- prezentt ontrulul sãpãrii dupã un numit profil u jutorull ontrolleru lui. Filitte pe re o dã est sistem este ã tote ele tri elemente mobile se pot miş simultn su onseutiv pentru obţine o numitã poziţie. Senzorii din ilindru vor trnsmite de 500 de ori pe seundã poziţi puntului A 1 ir prin intefţ nlogi digitl în plã junge un numãr. Aest numãr în funţie de ilindru se oretezã u o numitã formulã fişând pe un disply dimensiune u re s- deplst pistonul. În memori ontroller -ului, în fuţie de profilul urmãrit existã introdusã o vlore mximã şi minimã stei dimensiuni.aii intervine funţi de ssist stfel înât peste estã dimensiune indiferent de voinţ meniului de pe utilj dimensiune ilindrului nu se modifiã. Vlorile flte în memorie sunt ele de l simulre numeriã din pitolul nterior. fel în memorie se introdu şi dimensiunile minime şi mxime între re se pote depls ilindrul e ţionezã mânerul şi up. 18
19
0
Priniplele onluzii e pot fi sintetizte sunt următorele : ) ţiunile e influenţeză omportre mşinii în timpul explotãrii pot fi ontrolte de minimum 500 iluri pe seundã; b) sistemul de ţionre utiljului oferă posibilitte folosirii unei energii tât ât este neesrã efetuãrii srinilor de luru; ) utilizre unor regimuri dinmie vrite e pot fi fi relizte în funţie de etp tehnologiă de luru; d) folosire unui soft universl l re se dugă progrmre speifiă pentru relizre digrmelor de săpre; e) stbilire orelţiilor funţiilor de monitorizre pentru diverse regimuri dinmie şi prmetri energetii i mşinii. 1