УДК 631.311.5 Машины и орудия для рытья канав. Машины и орудия для одновременного образования канав и укладки дренажных труб, а также для других мелиоративных работ
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Дано описание новой и известных двухконтурных лазерных систем автоматического управления глубиной копания дреноукладчиков. Представлены описание и технические характеристики двухконтурных систем и показаны их преимущества. Изложены особенности спутниковых навигационных систем управления
двухконтурные системы управления, дреноукладчик, лазерный передатчик, приемник, пульт управления, электрогидроблок, рабочий орган, точность укладки дрен, спутниковые навигационные системы управления
Введение. За последние десятилетия в России площади строительства дренажа в зонах орошения и осушения резко сократились. Большинство ранее выпускаемых дреноукладчиков сняты с производства или изготавливаются по отдельным заказам или закупаются зарубежные машины. Потребность в дреноукладчиках в нашей стране постепенно нарастает, ведутся работы по укладке дренажа зарубежными и частично отечественными машинами. Назрела необходимость в разработке новых конструкций современных дреноукладчиков с системами автоматического управления, что является актуальной задачей, решение которой позволит расширить площади мелиорированных земель и увеличить выпуск и продажу сельскохозяйственной продукции.
Материалы и методика исследований. В настоящее время известны дреноукладчики с двухконтурными системами управления глубиной копания [1], которые состоят из основной системы и дополнительной системы, выполняющей следующие функции:
- перемещение приемника в зависимости от пройденного пути и заданного уклона дрены,
- перемещение приемника для сохранения постоянного вертикального расстояния от центра приемника до дна траншеи (для дреноукладчиков с турасным валом),
- периодическое перемещение верхней части рабочего органа от крайних положений до достижения ее среднего положения.
В задачу исследований входит реализация перечисленных решений.
Результаты исследований и их обсуждение. Первая двухконтурная система управления устанавливалась на траншейном дреноукладчике типа ЭТЦ-202. Конструктивно система управления включает актуатор в сборе с маятниковой подвеской и грузом, коллектор для соединения кабелей, датчик пути в виде колеса, прижимаемого к спускаемой дренажной трубе, и пульт управления, устанавливаемый в кабине трактора. Актуатор снабжен электроприводом с датчиком линейных перемещений штока и устанавливается на раме рабочего органа дреноукладчика при помощи подвески. В состав системы управления входит лазерный передатчик, формирующий горизонтальную лазерную плоскость путем кругового вращения луча (рис. 1).
|
|
|
|
а |
б в |
Рис. 1. Система управления ПСАУ-2:
а – установка актуатора с приемником на рабочем органе дреноукладчика; б – датчик пути; в – пульт управления (программатор)
Применяемая аппаратура состоит из основной лазерной системы автоматического управления ЛСАУ и второй системы с программным управлением ПСАУ-2 (ИЦ «Луч»). В ЛСАУ входит лазерный передатчик ЛП, формирующий горизонтальную лазерную опорную плоскость, приемник (ПР), пульт управления (ПУ), электрогидроблок (ГБ), исполнительный гидроцилиндр (ГЦ) и рабочий орган (РО). ПСАУ-2 состоит из актуатора (АК) с встроенным электродвигателем и датчиком ДА перемещений штока, датчика пути (ДП) и программатора (ПМ) с программным обеспечением, вычисляющим перемещения штока актуатора с приемником в зависимости от заданного уклона и пройденного пути. ПСАУ-2 вычисляет и перемещает приемник по цепи управления ДП–ПМ–АК–ПР и АК-ДА-ПМ, в то время как ЛСАУ одновременно удерживает приемник на горизонтальной лазерной плоскости по типовой цепи управления с обратной связью ЛП–ПР–ПУ–ГБ–ГЦ–РО–ПР. При этом рабочий орган отрывает траншею с заданным уклоном дна дрены ДД (рис. 2, табл. 1).
Проверка функционирования системы управления проводилась при уклоне 0,0005 на длине дрены 100 м. Точность укладки дрены соответствует заданным требованиям ±3см при продольных и поперечных наклонах дреноукладчика не выше 5°.
Таблица 1
Технические характеристики ПСАУ-2
|
Характеристики |
Данные испытаний |
|
Ход штока актуатора АК-1, мм |
1100 |
|
Погрешность хода штока актуатора, мм |
±5 |
|
Погрешность измерений пройденного пути, см |
±1 |
|
Диапазон задания проектных уклонов дрены, |
±0,01 |
|
Шаг задания уклона |
0,0001 |
|
Номинальное напряжение бортовой сети, В |
12 и 24 |
|
Потребляемая мощность, Вт |
30 |
|
Габаритные размеры, мм: актуатора датчика пути программатора |
1910×225×140 570×220×260 225×125×110 |
|
Масса, кг: актуатора датчика пути программатора |
8,2 6,7 1,1 |
|
Точность укладки дрен, см |
±3 |
Применение комбинированной системы управления ЛСАУ и ПСАУ-2 позволяет укладывать дренажную сеть на площади до 50 га с переменными уклонами коллекторов и дрен с одной позиции передатчика без его перестановки, что значительно снижает подготовительные работы и исключает простои машины. При высоком положении приемника одновременно без помех обеспечивается работа других машин (перегружатель, бульдозер), используемых одновременно при строительстве дренажа.
К настоящему времени организациями ИЦ «Луч» и ЗАО «Рустехпласт» разработана и проходит испытания одноконтурная система управления на узкотраншейном дреноукладчике ЭТЦ-160 [2] (рис. 3). Требуемый уклон дрене задается лазерным передатчиком. Проведенные испытания показали, что допустимая точность укладки дрен в пределах ±3 см ограничивается пределами от 1 до 1,5 м глубины копания. За пределами этого диапазона точность выходит за эти пределы, так как на глубине копания от 0,5 до 1,7 м значительно изменяется постоянное вертикальное расстояние от центра приемника до дна траншеи. Во избежание этого и расширения диапазона изменения глубины копания необходимо перемещать приемник относительно рабочего органа. Этому требованию соответствует двухконтурная система управления, состоящая из основной ЛСАУ и дополнительной ПСАУ-3 систем [3]. Основная система обеспечивает удержание центра приемника на лазерном луче, а дополнительная система служит для сохранения постоянного вертикального расстояния от центра приемника до дна траншеи.
Рис. 3. Опытный образец дреноукладчика ЭТЦ-160 с одноконтурной лазерной системой управления
Дреноукладчик с двухконтурной системой управления состоит из трактора 1, рабочего органа 2, ковшовой цепи 3, редуктора 4, гидроцилиндра 5, защитного кожуха 6, упоров 7, подставки 8 с шарниром 9, телескопической мачты 10, приемника 11, противовеса 12, спускного желоба 13, трапецеидальной шарнирной навески 14, передатчика, формирующего лазерный луч 15, пульта управления 16, электрогидрозолотника 17 (рис. 4).
В основную систему управления введена дополнительная система управления, состоящая из датчика положения штока цилиндра 18, актуатора 19 с датчиком положения приемника и блока управления 20. Внутри защитного кожуха 6 помещена подвижная штанга 21, скользящая по каткам 22 и соединенная сверху с пружиной 23, а снизу с зачистным скребком 24 на опорной пластине 25. Демпферное устройство 26 шарнирно соединено с телескопической мачтой 10 и подставкой 8. Зачистной скребок под действием пружины скользит по дну траншеи и защищает от попадания грунта. Вертикальное положение приемника на мачте поддерживается демпфером, который устраняет раскачивание приемника.
Основная система управления состоит из цепи последовательно связанных элементов ЛП(15)–ПР(11)–ПУ(16)–ГБ(17)–ГЦ(5)–РО(2)–ПР(11). Дополнительная система включает следующие последовательно соединенные составные части по цепи управления: датчик ДЦ (18) перемещений штока гидроцилиндра ГЦ (5), блок управления БУ (20), актуатор АК (19) для перемещения приемника ПР (11). В свою очередь актуатор связан с датчиком ДП перемещений приемника (рис. 5, табл. 2).
Рис. 4. Вид сбоку дреноукладчика с системой управления
Таблица 2 Техническая характеристика узкотраншейного дреноукладчика ЭТЦ-170
|
Марка |
ЭТЦ-170 |
|
Тип присоединения рабочего органа |
Навесной |
|
Мощность двигателя, кВт |
60 |
|
Глубина траншеи, м |
До 1,7 |
|
Ширина траншеи, м |
0,22 |
|
Диаметр труб, мм |
До 90 |
|
Скорости: рабочие, м/ч транспортные, км/ч цепи, м/с |
До 800 До 33,4 0,8; 1,2; 1,5; 2,1 |
|
Масса, т |
6,3 |
|
Габариты, м: длина ширина высота |
7,6 2,3 3,1 |
|
Среднее удельное давление |
0,033 |
|
Расчетная точность укладки дрены, см |
±3 |
Дреноукладчик с двухконторной системой управления ЛСАУ и ПСАУ-3 позволяет обеспечить расчетную точность укладки дрен в пределах ±3 см при полном диапазоне изменения глубины копания 0,5–1,7 м. В настоящее время доработанная система управления изготовляется и намечено провести ее полевые испытания в Московской области при строительстве дренажа на осушаемых землях.
На дреноукладчиках с нижней подвижной ступенью рабочего органа глубина укладки дрен ограничена узким диапазоном хода ступени [1]. Более универсальный способ управления с подвижной ступенью применен на бестраншейном дреноукладчике ДБ-2,0М с трактором ДЭТ-250М (ИЦ «Луч», ОКБ ВНИИГиМ, ГСКБ по ирригации) для укладки пластмассовых дрен диаметром до 100 мм на глубину до 2 м в зоне орошения (рис. 6, табл. 3).
Рис. 6. Опытный образец дреноукладчика ДБ-2,0М
Двухступенчатый рабочий орган имеет верхнюю и нижнюю подвижные ступени. Верхняя ступень соединена с желобом для протаскивания пластмассовой трубы. Бункер жестко соединен с верхней ступенью и служит для подачи песчано-гравийной смеси, которую загружают откидным скипом при остановке машины. Толщина обсыпки вокруг трубы регулируется заслонкой, шарнирно соединенной с нижней ступенью. Рабочее оборудование навешивается на параллелограммную навеску, которая крепится к заднему мосту трактора. При укладке дрен гидроцилиндр транспортного положения параллелограммной навески находится в плавающем положении, а рабочий орган свободно опирается на лыжи, скользящие по поверхности земли. Нижняя ступень жестко связана с трехпозиционным переключателем (программатор), контролирующим среднее и крайние положения ступени.
Таблица 3
Техническая характеристика бестраншейного дреноукладчика ДБ-2,0М
|
Базовая машина |
Трактор ДЭТ-250М |
|
Номинальная мощность, л.с. |
250 |
|
Максимальное тяговое усилие, тс |
25 |
|
Максимальная глубина укладки дрен, м |
2 |
|
Ширина ножа, м |
0,2 |
|
Максимальный диаметр труб, мм |
100 |
|
Рабочие скорости, км/ч |
До 3 |
|
Масса, т |
Не определялись |
|
Давление на грунт, МПА |
Не определялись |
Лазерно-программная система состоит из типовой лазерной системы ЛСАУ и программной системы автоматического управления ПСАУ-1 (рис. 7 и 8).
Первая система ЛСАУ включает приемник 1 (ПР), закрепленный на штанге 2, соединенной с нижней подвижной ступенью 3 (РО1), пульт управления (ПУ), электрогидроблок 6 (ГБ1), исполнительный гидроцилиндр 4 (ГЦ1) и лазерный передатчик (ЛП), формирующий лазерную опорную плоскость 5 с заданным уклоном дрены. Вторая система ПСАУ-1 состоит из рабочего органа 7 (РО2), параллелограммной навески 8 с гидроцилиндрами 9 (ГЦ2), лыж 10 с гидроцилиндрами 11, программатора 12 (ПМ) в виде трехпозиционного переключателя с тремя контактами 13, 14, 15, которые замыкаются упором (магнитом) 16 при перемещении штанги, и электрогидроблока 17 (ГБ2).
ЛСАУ в автоматическом режиме управления удерживает подвижную ступень на проектной глубине при положении упора между верхним 13 и нижним 15 контактами. Когда упор замыкает верхний или нижний контакт, включается электрогидроблок 17 и штоки гидроцилиндров 11 лыж поднимают или опускают рабочий орган 7 относительно поверхности земли. Длительность включения продолжается до момента замыкания упором среднего контакта 14, когда гидроцилиндры 11 запираются. Одновременно с этим подвижная ступень с заслонкой 22 постоянно находятся на проектной глубине дрены. Ступень соединена со спускным желобом 18, внутри которого проходит дренажная труба 19 и ложится на дно дрены ДД.
В процессе работы бункер 20 обеспечивает подачу песчано-гравийной смеси 21 вокруг дрены 19. Приемник постоянно удерживается на лазерном луче по цепи управления ЛП–ПР–ПУ–ГБ1–ГЦ1–РО1–ПР. Программная система ПСАУ-1 периодически включается и выключается по цепи управления ПМ–ГБ2–ГЦ2–РО2–ПМ. Расстояние между перемещениями рабочего органа можно регулировать перемещением контактов программатора, добиваясь оптимального включения ПСАУ-1, что положительно сказывается на точности укладки дрены в пределах ±3 см. За счет меньших нагрузок на нижнюю ступень ее скорость перемещения всегда выше скорости перемещения верхней ступени, испытывающей значительное защемление в грунте. Наиболее эффективно использование такой двухконтурной системы управления на бестраншейных дреноукладчиках при глубине 2…3 м укладки дрен.
Применение дреноукладчиков с перечисленными двухконтурными лазерными системами автоматического управления глубиной копания позволяет укладывать дрены с требуемой точностью и обеспечить нормальный режим работы автоматики в различных условиях эксплуатации.
В последнее время все большее распространение в России находят дреноукладчики, оснащенные спутниковой навигационной системой управления GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (Евросоюз), Compass (Китай) для укладки дренажа и поддержания курса движения машины (агронавигатор, автопилот, курсоуказатель). Базой отсчета служит положение группы спутников на орбите. Наземный приемник передает спутникам и принимает от них радиосигналы, которые обрабатываются специальным программным обеспечением по точному времени. Базовая станция, взаимодействующая по радиосигналам со спутниками и приемником, обеспечивает повышение точности измерений. В результате приемник вырабатывает электрические сигналы о своем высотном и плановом положениях, которые поступают на пульт управления.
Приемник, пульт управления и электрогидроблок спутниковой навигационной системы устанавливают на дреноукладчике по аналогии с размещением этих составных частей в лазерной системе управления. Перед укладкой дрены в программное обеспечение с заданным шагом вносят высотные отметки проектного профиля дрены.
В процессе укладки дрены пульт управления выполняет функцию сравнения между текущим положением приемника и проектными данными. При появлении сигнала рассогласования между ними пульт выдает команду управления на электрогидроблок и исполнительный орган, перемещающий рабочий орган с приемником в сторону устранения сигнала рассогласования. Таким образом, навигационные системы, как и лазерные системы, обеспечивают автоматическое удержание рабочего органа дреноукладчика на проектной глубине копания с требуемой точностью укладки дренажа.
Выводы. Исследованы особенности и проведены испытания траншейного, узкотраншейного и бестраншейного дреноукладчиков с различными двухконтурными лазерными системами автоматического управления глубиной копания траншеи при укладке дренажа на опытных полигонах. Представлены преимущества автоматизированных машин. Определены технические характеристики лазерных систем управления. Точность укладки дрен составила ±3 см, что соответствует предъявляемым мелиоративным требованиям. Наряду с лазерными системами управления могут также успешно применяться на представленных конструкциях отечественных дреноукладчиков спутниковые навигационные системы управления.
1. Ефремов, А.Н. Дреноукладчики с системами управления и строительство дренажа. М.: МЭСХ, 2023. – 90 с.
2. Дреноукладчик: пат. 2810925С1 Рос. Федерация / Ефремов А.Н., Глухарев В.И., Фирсов В.В., Соболев А.А., Буравцев В.Н.; заявл. 02.03.2023; опубл. 01.09.2024.
3. Ефремов А.Н., Лактюшкин В.Н. Дреноукладчик. Уведомление о приеме и регистрации заявки за № 2025117881 от 27.06.2025, Российская Федерация.
