Помощь студентам в учебе
Разработка датчика усилия системы безопасности трубоукладчика
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ 11
1.1 Понятие систем безопасности 11
1.2 Концепция датчика усилия производства «ДСТ-Урал» 12
1.3 Обзор аналогов 16
Датчик ОГП-10 16
Датчик SUMT-QZX 18
Датчик TOR 19
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ 22
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ДАТЧИКА УСИЛИЯ
СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОУКЛАДЧИКА 23
3 РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА 25
3.1 Составление структурной и функциональной схем 25
3.2 Выбор элементов для схемы электрической принципиальной 26
Тензодатчик 26
Микроконтроллер 27
Аналого-цифровой преобразователь 28
Кварцевые резонаторы 30
Преобразователи напряжения 31
Защита от переполюсовки и короткого замыкания 38
Приемопередатчик CAN 39
Конденсаторы 40
Резисторы 42
Диоды 43
Предохранители 45
3.3 Трассировка платы и монтаж элементов 46
3.4 Подбор корпуса устройства 47
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ
4 ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДАТЧИКА ПО РЕЗЛЬТАТАМ
МОДЕЛИРОВАНИЯ 50
4.1 Проверка сигнала с преобразователей напряжения 50
4.2 Проверка выходного сигнала датчика 51
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОМУ РАЗДЕЛУ 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 57
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ 11
1.1 Понятие систем безопасности 11
1.2 Концепция датчика усилия производства «ДСТ-Урал» 12
1.3 Обзор аналогов 16
Датчик ОГП-10 16
Датчик SUMT-QZX 18
Датчик TOR 19
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ 22
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ДАТЧИКА УСИЛИЯ
СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОУКЛАДЧИКА 23
3 РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА 25
3.1 Составление структурной и функциональной схем 25
3.2 Выбор элементов для схемы электрической принципиальной 26
Тензодатчик 26
Микроконтроллер 27
Аналого-цифровой преобразователь 28
Кварцевые резонаторы 30
Преобразователи напряжения 31
Защита от переполюсовки и короткого замыкания 38
Приемопередатчик CAN 39
Конденсаторы 40
Резисторы 42
Диоды 43
Предохранители 45
3.3 Трассировка платы и монтаж элементов 46
3.4 Подбор корпуса устройства 47
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ
4 ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДАТЧИКА ПО РЕЗЛЬТАТАМ
МОДЕЛИРОВАНИЯ 50
4.1 Проверка сигнала с преобразователей напряжения 50
4.2 Проверка выходного сигнала датчика 51
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОМУ РАЗДЕЛУ 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 57
Классический трубоукладчик представляет собой самоходное устройство на основе гусеничного трактора. Оно предназначено для перемещения, наводки, укладки трубной продукции различных диаметров в проектное положение, а также для выполнения связанных с этим погрузочно-разгрузочных работ. Трубоукладчики широко применяются в нефтегазовой, коммунальной и иных сферах, на строительных объектах, перегрузочных базах.
В систему управления трубоукладчика входят элементы, которые обеспечивают контроль над ходовой частью агрегата и его навесным оборудованием. В качестве дополнительного оборудования в комплекте с трубоукладчиками также используют отвалы для рытья траншей и сопутствующих операций. А некоторые модели агрегатов применяются во время проведения сварочных и бурильных работ, при забивании свай, а также в качестве тягачей [1-6].
Трубоукладчики классифицируются по номинальной грузоподъемности, типу ходового устройства, типу привода грузоподъемного оборудования. За главный параметр принята грузоподъемность трубоукладчика (максимально допустимая нагрузка на крюке трубоукладчика при работе с единичными грузами). Поскольку трубоукладчик - дорогостоящая спецтехника, предназначенная для работы в сложных условиях, то обязательным для производителя является принятие мер по обеспечению безопасности работы машины и оператора. Поэтому современные трубоукладчики имеют гидравлический привод лебедок и другие механизмы, оборудованы так называемыми системами безопасности (устройствами защиты от перегрузок и опрокидывания, защиты от линий электропередач).
Самый обширный и разнообразный ассортимент систем безопасности машин зачастую не может обеспечить готовое решение для каждого конкретного случая или проблемы, в частности для обеспечения безопасной эксплуатации трубоукладчиков производства ДСТ-Урал. Поэтому при разработке подобных систем наиболее разумным путем является использование модульного принципа построения системы с акцентом на технологиях, которые позволяют реализовать решения, отвечающие требованиям спецификации заказчика, чрезвычайно быстро и при этом значительно более экономичным образом.
В систему безопасности трубоукладчика в общем случае входят: датчик наклона стрелы, датчик наклона рамы, датчик приближения к линиям электропередач, датчик усилия, концевой выключатель подъема крюка, концевой выключатель подъема стрелы, блок выходов и нагрузок.
Одной из наиболее важных составляющих этой системы является датчик усилия, который постоянно измеряет массу груза, выдает преобразованный сигнал, соответствующий этой массе, по которому система безопасности определяет факт перегрузки и принимает меры по ее устранению.
Каждый производитель трубоукладчиков сам определяет состав системы безопасности производимой им машины и то, будет он использовать готовое решение, готовое решение подвергнет модернизации или займется собственной разработкой системы безопасности.
Решение о модернизации известных решений или о собственной разработке принимается только по результатам анализа рынка.
Анализ рынка систем безопасности гусеничных машин показал, что сегодня ассортимент систем безопасности машин достаточно разнообразен.
Так, например, ограничитель грузоподъемности ОГП-10 [7] имеет простую установку, не требует сварочных работ, имеет высокую точность, но обладает высокой ценой.
Устройство SUMT-QZX [8] обладает низкой ценой, высокой грузоподъемностью, но не имеет возможности тонкой настройки и индикации и обладает низкой точностью.
Еще одно из популярных на рынке изделий - TOR [9] - имеет низкую точность, отличается невозможностью тонкой настройки, хоть и обладает приемлемой стоимостью.
Известно, что трубоукладчики производства завода «ДСТ-Урал» (с номинальными грузоподъемностями 20, 30 и 66 тонн) оснащены ограничителем грузоподъемности АЗК110 [10], обеспечивающим защиту машины от опрокидывания груза и перегрузок, а также отображение информации о фактической массе поднимаемого груза и предельной грузоподъемности, о степени загрузки трубоукладчика и величине вылета, угле наклона стрелы и максимальной высоте подъема крюка, углах продольного и поперечного наклонов базового трактора. АЗК110 имеет прочные герметичные металлические корпуса всех блоков и датчиков, обеспечивающие защиту всех составных частей от проникания посторонних тел и жидкостей (воды, моющих средств, топлива и масла); устойчивость к воздействию вибрационных и ударных нагрузок; защиту от перенапряжений в бортовой сети и от переполюсовки питающего напряжения, защиту всех выходов от короткого замыкания нагрузки. По требованию Заказчика, АЗК110 дополнительно обеспечивает регистрацию параметров работы трубоукладчика ("черный ящик"), контроль технического состояния трубоукладчика (контроль температур, давлений и скоростных режимов работы двигателя, трансмиссии, гидросистемы и т.п.); сигнализацию опасного приближения к линии электропередач; функции речевого синтезатора, формирующего информационные, предупреждающие и аварийные речевые сообщения.
Но так как одним из главных критериев выбора является цена, было решено отказаться от АЗК110 и перейти к разработке собственного изделия, которое будет точнее, дешевле и будет иметь возможность подключения различных сенсоров, а не только того, которым комплектуется ныне существующее устройство. Также намного эффективнее иметь независимость от сторонних производителей, поэтому переход к производству собственного устройства значительно улучшит экономику предприятия.
Поэтому цель выпускной квалификационной работы - разработка и реализация датчика усилия системы безопасности трубоукладчика.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сравнительный анализ известных решений.
2. Разработка технического задания.
3. Разработка датчика.
3.1. Составление функциональной и структурной схем датчика.
3.2. Выбор элементов для электрической принципиальной схемы.
3.3. Трассировка платы и монтаж элементов.
3.4. Подбор корпуса устройства для монтажа непосредственно на трубо
укладчик.
4. Проверка работоспособности датчика по результатам моделирования.
В систему управления трубоукладчика входят элементы, которые обеспечивают контроль над ходовой частью агрегата и его навесным оборудованием. В качестве дополнительного оборудования в комплекте с трубоукладчиками также используют отвалы для рытья траншей и сопутствующих операций. А некоторые модели агрегатов применяются во время проведения сварочных и бурильных работ, при забивании свай, а также в качестве тягачей [1-6].
Трубоукладчики классифицируются по номинальной грузоподъемности, типу ходового устройства, типу привода грузоподъемного оборудования. За главный параметр принята грузоподъемность трубоукладчика (максимально допустимая нагрузка на крюке трубоукладчика при работе с единичными грузами). Поскольку трубоукладчик - дорогостоящая спецтехника, предназначенная для работы в сложных условиях, то обязательным для производителя является принятие мер по обеспечению безопасности работы машины и оператора. Поэтому современные трубоукладчики имеют гидравлический привод лебедок и другие механизмы, оборудованы так называемыми системами безопасности (устройствами защиты от перегрузок и опрокидывания, защиты от линий электропередач).
Самый обширный и разнообразный ассортимент систем безопасности машин зачастую не может обеспечить готовое решение для каждого конкретного случая или проблемы, в частности для обеспечения безопасной эксплуатации трубоукладчиков производства ДСТ-Урал. Поэтому при разработке подобных систем наиболее разумным путем является использование модульного принципа построения системы с акцентом на технологиях, которые позволяют реализовать решения, отвечающие требованиям спецификации заказчика, чрезвычайно быстро и при этом значительно более экономичным образом.
В систему безопасности трубоукладчика в общем случае входят: датчик наклона стрелы, датчик наклона рамы, датчик приближения к линиям электропередач, датчик усилия, концевой выключатель подъема крюка, концевой выключатель подъема стрелы, блок выходов и нагрузок.
Одной из наиболее важных составляющих этой системы является датчик усилия, который постоянно измеряет массу груза, выдает преобразованный сигнал, соответствующий этой массе, по которому система безопасности определяет факт перегрузки и принимает меры по ее устранению.
Каждый производитель трубоукладчиков сам определяет состав системы безопасности производимой им машины и то, будет он использовать готовое решение, готовое решение подвергнет модернизации или займется собственной разработкой системы безопасности.
Решение о модернизации известных решений или о собственной разработке принимается только по результатам анализа рынка.
Анализ рынка систем безопасности гусеничных машин показал, что сегодня ассортимент систем безопасности машин достаточно разнообразен.
Так, например, ограничитель грузоподъемности ОГП-10 [7] имеет простую установку, не требует сварочных работ, имеет высокую точность, но обладает высокой ценой.
Устройство SUMT-QZX [8] обладает низкой ценой, высокой грузоподъемностью, но не имеет возможности тонкой настройки и индикации и обладает низкой точностью.
Еще одно из популярных на рынке изделий - TOR [9] - имеет низкую точность, отличается невозможностью тонкой настройки, хоть и обладает приемлемой стоимостью.
Известно, что трубоукладчики производства завода «ДСТ-Урал» (с номинальными грузоподъемностями 20, 30 и 66 тонн) оснащены ограничителем грузоподъемности АЗК110 [10], обеспечивающим защиту машины от опрокидывания груза и перегрузок, а также отображение информации о фактической массе поднимаемого груза и предельной грузоподъемности, о степени загрузки трубоукладчика и величине вылета, угле наклона стрелы и максимальной высоте подъема крюка, углах продольного и поперечного наклонов базового трактора. АЗК110 имеет прочные герметичные металлические корпуса всех блоков и датчиков, обеспечивающие защиту всех составных частей от проникания посторонних тел и жидкостей (воды, моющих средств, топлива и масла); устойчивость к воздействию вибрационных и ударных нагрузок; защиту от перенапряжений в бортовой сети и от переполюсовки питающего напряжения, защиту всех выходов от короткого замыкания нагрузки. По требованию Заказчика, АЗК110 дополнительно обеспечивает регистрацию параметров работы трубоукладчика ("черный ящик"), контроль технического состояния трубоукладчика (контроль температур, давлений и скоростных режимов работы двигателя, трансмиссии, гидросистемы и т.п.); сигнализацию опасного приближения к линии электропередач; функции речевого синтезатора, формирующего информационные, предупреждающие и аварийные речевые сообщения.
Но так как одним из главных критериев выбора является цена, было решено отказаться от АЗК110 и перейти к разработке собственного изделия, которое будет точнее, дешевле и будет иметь возможность подключения различных сенсоров, а не только того, которым комплектуется ныне существующее устройство. Также намного эффективнее иметь независимость от сторонних производителей, поэтому переход к производству собственного устройства значительно улучшит экономику предприятия.
Поэтому цель выпускной квалификационной работы - разработка и реализация датчика усилия системы безопасности трубоукладчика.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сравнительный анализ известных решений.
2. Разработка технического задания.
3. Разработка датчика.
3.1. Составление функциональной и структурной схем датчика.
3.2. Выбор элементов для электрической принципиальной схемы.
3.3. Трассировка платы и монтаж элементов.
3.4. Подбор корпуса устройства для монтажа непосредственно на трубо
укладчик.
4. Проверка работоспособности датчика по результатам моделирования.
В ходе выпускной квалификационной работы было разработано электронное
устройство датчика усилия системы безопасности трубоукладчика.
Произведен синтез структурной и функциональной схем устройства. Осуществлен подбор оборудования: тензодатчик, микроконтроллер, АЦП, кварцевые резонаторы, преобразователи напряжения, приемопередатчик CAN, защита от короткого замыкания и переполюсовки, диоды, резисторы, конденсаторы.
Разработана схема электрическая принципиальная с учетов всех требований в паспортах устройств. На основе этой схемы спроектирована плата печатного монтажа. Подобран корпус устройства и составлена его 3D модель.
Проведен эксперимент по проверке выходных значений разработанного устройства. Экспериментальные данные совпадают с расчетными.
Результатом работы является готовое электронное устройство датчика усилия системы безопасности трубоукладчика, которое отвечает всем требованиям технического задания и обладает рядом преимуществ перед своими конкурентами.
Введение в эксплуатацию данного решения позволит предприятию перейти на изготовление собственной системы безопасности для диверсификации и удешевления производства, что и было главной целью работы.
устройство датчика усилия системы безопасности трубоукладчика.
Произведен синтез структурной и функциональной схем устройства. Осуществлен подбор оборудования: тензодатчик, микроконтроллер, АЦП, кварцевые резонаторы, преобразователи напряжения, приемопередатчик CAN, защита от короткого замыкания и переполюсовки, диоды, резисторы, конденсаторы.
Разработана схема электрическая принципиальная с учетов всех требований в паспортах устройств. На основе этой схемы спроектирована плата печатного монтажа. Подобран корпус устройства и составлена его 3D модель.
Проведен эксперимент по проверке выходных значений разработанного устройства. Экспериментальные данные совпадают с расчетными.
Результатом работы является готовое электронное устройство датчика усилия системы безопасности трубоукладчика, которое отвечает всем требованиям технического задания и обладает рядом преимуществ перед своими конкурентами.
Введение в эксплуатацию данного решения позволит предприятию перейти на изготовление собственной системы безопасности для диверсификации и удешевления производства, что и было главной целью работы.
