Urzdzenie do oczyszczania kanalizacji

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 4, pp (2009) Urzdzenie do oczyszczania kanalizacji ZBIGNIEW PAWELSKI, TOMASZ PAŁCZYSKI Politechnika Łódzka W pracy przedstawiono układ sterowania i modernizacj skrzyni rozdzielczej dla urzdzenia do oczyszczania kanalizacji zrealizowane w ramach projektu celowego. Mikroprocesorowy układ sterowania oparto na sterownikach mobilnych i szynie CAN. Dziki temu uzyskano znaczne jego uproszczenie i now jako w zakresie moliwoci funkcjonalnych urzdzenia. Modernizacja skrzyni rozdzielczej polegała na zwikszeniu trwałoci i cichobienoci przez zastpienie zbów prostych skonymi, zmian ułoyskowania oraz sprzgieł zbatych. Dziki powyszym modyfikacjom osignito poziom, który moe konkurowa z podobnymi urzdzeniami zachodnich producentów. 1. Wstp W roku 2008 Instytut Pojazdów, Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn PŁ wraz z Wytwórni Urzdze Komunalnych WUKO SA w Łodzi uczestniczył w projekcie celowym, który obejmował opracowanie, budow i badania prototypu oraz uruchomienie produkcji zmodernizowanego samochodu do czyszczenia kanalizacji charakteryzujcy si: recyklingiem i dwustopniow filtracj wody, du wydajnoci, zbiornikiem podzielonym na trzy komory o zmiennej wydajnoci, mikroprocesorowym układem sterowania. W kraju tego typu urzdzenia nie s produkowane, a do importerów nale: MULLER, KROLL (Niemcy), MORO, CAPPELLOTTO, JUROP (Włochy), KEISER (Luksemburg), HUWER, RIVRD (Francja). Dotychczas produkowane przez WUKO (jedyny producent w kraju) urzdzenia do czyszczenia kanalizacji, tzw. samochody kombinowane typu SCK nabudowane na podwoziach samochodowych 2 i 3-osiowych o masie całkowitej 16 i 24 tony, posiadały zbiornik dzielony. Stała przegroda dzieliła zbiornik na komor wody czystej i komor osadu. Woda czysta była wykorzystywana do hydrodynamicznego mycia kanałów, natomiast komora osadu przeznaczona była do gromadzenia osadów wyciganych z kanałów. Cinienie wody, potrzebne do hydrodynamicznego mycia cian kanału, wytwarzały pompy nurnikowe. Do wytworzenia podcinienia w komorze osadu słuyły kompresory zapewniajce próni ok. 0,08MPa. Odsysanie osadu odbywało si za pomoc przewodów hydraulicznych sscych, łczonych z odcinków łatwych do przewoenia na pojedzie. Urzdzenia typu SCK nie spełniały jednak warunków wymaganych przez uytkowników tego sprztu. Potrzebne były urzdzenia bardziej wy-

2 274 Z. Pawelski, T. Pałczyski dajne, efektywne i przystosowane do aktualnych wymaga klienta. Na rysunku 1 przedstawiono koncepcj budowy zmodernizowanego urzdzenia do oczyszczania kanalizacji wraz z rozmieszczeniem jego podstawowych elementów (oznaczenia 1-17). Rys. 1. Koncepcja budowy zmodernizowanego urzdzenia do oczyszczania kanalizacji: 1-Podwozie, 2- układ ssco tłoczcy, 3- zawór pływakowy komory wody czystej, 4- bateria hydrocyklonów, 5- zawór pływakowy komory osadu, 6- wysignik obrotowy teleskopowy, 7- bben główny wa ssawnego, 8- kaseta sterownicza, 9- w ssawny, 10- pompa recyrkulacyjna, 11- siłowniki otwierania dennicy, 12- rygle tłoka, 13- ruchomy tłok, 14- układ napdowy pomp, 15- pompa wysokocinieniowa, 16- kompresor, 17- układ hydrauliczny. Fig. 1. Construction conception of modernized device to sewage system cleaning: 1- chassis, 2- inlet outlet system, 3- float valve of clean water chamber, 4- hydrocyclon set, 5- float valve of residual water chamber, 6- rotatory telescopic arm, 7- main inlet drum pipe, 8- steering cartridge, 9- inlet pipe, 10- recirculation pump, 11- roll end opening actuator, 12- piston bolts, 13- movable piston, 14- pump powertrain, 15- heigh pressure pump, 16- compressor, 17- hydraulic system. Wychodzc naprzeciw oczekiwaniom odbiorców i potrzebom rynku opracowano rozwizanie, które charakteryzuje: 1. Pojemno zbiornika dostosowan do wikszych maksymalnych mas całkowitych, tj. 18 ton na podwoziu dwuosiowym lub 26 ton na podwoziu trójosiowym. 2. Zmienny podział zbiornika na wod czyst i osad, tak aby podczas pracy w miar ubywania wody czystej i przybywania wycignitego osadu, zwikszała si objto komory osadu kosztem objtoci wody czystej. Zwikszono przez to, prawie dwukrotnie, stopie wykorzystania urzdzenia, a tym samym poprawiono efektywno pracy. 3. Zastosowanie kompresorów o duej wydajnoci i mocy umoliwia pneumatyczny transport osadu ze znacznych głbokoci (ok. 15m). Dotychczas produkowane urzdzenia transportowały osad z kanałów metod wyporow, co ograniczało głboko czyszczonych kanałów. 4. Zastosowanie wa sscego o duej długoci, ok. 20m, układanego na stelau w górnej czci zbiornika pozwoliło na szybkie zwijanie i rozwijanie wa

3 Urzdzenie do oczyszczania kanalizacji 275 bez potrzeby łczenia go z krótkich odcinków. Tym samym uproszczono obsług, zwikszono bezpieczestwo i wydajno pracy urzdzenia. 5. Sposób usuwania gstego osadu przez ruchomy tłok, przesuwany pneumatycznie, pozwolił na skuteczne wygarnianie osadu ze zbiornika. 6. Zastosowanie obiegu zamknitego nieczystoci z filtracj wody w celu ponownego wykorzystania jej do mycia kanałów. Dwustopniowy układ filtracji wody z zastosowaniem hydrocyklonów zapewnił du wydajno filtracji. W wyniku uzyskano zwikszenie wydajnoci urzdzenia i zmniejszenie zuycia wody w procesie mycia kanałów. 7. Zautomatyzowanie czynnoci wykonywanych przez operatora. W tym celu zastosowano specjalnie zaprojektowany układ sterowania zbudowany na bazie mikroprocesora, który umoliwia operatorowi na proste sterowanie urzdzeniem wyposaonym w wiele elementów wzajemnie ze sob powizanych. 1. Opracowanie sterowania mikroprocesorowego Układ sterowania prezentowanego urzdzenia, ze wzgldu na stawiane mu wymagania, powinien charakteryzowa si: odpornoci na drgania wynikajce z pracy podukładów urzdzenia podczas wykonywania zada, a take podczas przemieszczania si całego pojazdu, temperatur pracy w zakresie od -25 o C do 40 o C, niewraliwoci układu na warunki eksploatacji, bezpieczestwem uytkowania w kontekcie nadania znaku CE, moliwoci sterowania wybranymi funkcjami urzdzenia w sposób zdalny. zastosowaniem sieci CAN, ze wzgldu na liczb koniecznych połcze elektrycznych i ich duym rozproszeniem w ramach całego urzdzenia. Rys. 2. Koncepcja układu sterowania urzdzenia do oczyszczania kanalizacji. Fig. 2. Conception of steering system of the sewage cleaning device.

4 276 Z. Pawelski, T. Pałczyski Jak wida z przedstawionego schematu, (rys. 2), układ sterowania składa si z nastpujcych elementów: a) Głównego panelu sterowania zawierajcego: Wywietlacz umoliwiajcy: - biecy odczyt parametrów pracy urzdzenia, - wprowadzanie wielkoci sterujcych, jak: czas obrotu wysignika, prdko zwijania wy, szybko przesuwania przegrody, Wyłcznik główny. Zespół przycisków do sterowania prdkoci ktow silnika. Zespół przycisków do uruchamiania poszczególnych ruchów elementów maszyny, np. wiea w lewo, w w gór itp. Zespół przycisków do uruchamiania poszczególnych funkcji urzdzania, czyszczenie komory A, zasysanie, zrzut wody gór. Zespół przycisków do uruchamiania cykli automatycznych: recyrkulacja, automatyczna regulacja prdkoci ktowej silnika. Sterownik jeden z czterech sterowników urzdzenia połczonych ze sob sieci CAN. b) Panel zdalnego sterowania zawierajcy powtórzone przyciski z panelu głównego. Panel zdalnego sterowania podłczono do systemu w taki sposób, e jego aktywacja unieruchamia działanie panelu głównego poza funkcjami wywietlania parametrów pracy i klawiszy: Wyłcznik główny i Stop. Po analizie firm produkujcych tego typu sterowniki zdecydowano si na zastosowanie sterowników firmy IFM Electronic serii R360 połczonych sieci CANopen. O wyborze tego sterownika zadecydowały w głównej mierze dua ilo wej i wyj pojedynczego modułu, moliwo pracy w przewidzianych warunkach eksploatacji oraz programowanie za pomoc programu narzdziowego CoDeSys, rysunek 3. Dziki programowaniu obiektowemu, znacznie skraca si czas budowy algorytmu sterowania. Programowanie obiektowe bardzo dobrze sprawdziło si w praktyce, podczas weryfikacji eksperymentalnej testowanych programów sterowania, umoliwiajc ich łatw modyfikacj i strojenie.

5 Urzdzenie do oczyszczania kanalizacji 277 Rys. 3. Interface programu CoDeSys słucy do programowania obiektowego. Fig. 3. CoDeSys software interface used to object programming Do zdalnego sterowania wybrano urzdzenia polskiej firmy IREL, rysunek 4. Zdalne sterowanie składa si z nadajnika, który obsługa pojazdu ma przy sobie i odbiornika, którego wyjcia oddziaływaj na wejcia sterownika pojazdu. Zasig urzdzenia zdalnego sterowania ~ 100m. Rys. 4. Pilot do bezprzewodowego sterowania wybranymi funkcjami urzdzenia. Fig.4. Wireless pilot to chosen task machine steering. Zadania w poszczególnych segmentach pracy urzdze zdefiniowano nastpujco: a) podwozie: Układ przeniesienia napdu, kontrola załczania napdu urzdze dodatkowych; b) kontrola pracy silnika: kontrola prdkoci ktowej silnika i biegu jałowego, w tym automatyczna regulacja prdkoci ktowej silnika jako wielkoci sterowanej podczas regulacji zadanego cinienia wody; c) wejcia i wyjcia: system informacji dla kierowcy, rejestrowanie danych roboczych, diagnostyka systemu. Dziki zastosowaniu sterowania mikroprocesorowego moliwe jest rozbudowanie funkcji samodiagnostyki urzdzenia, a take wprowadzenie rónych poziomów dostpu do wybranych parametrów pracy. W przypadku nieprawidłowej eksploatacji przyjty układ sterowania stanowi swego rodzaju czarn skrzynk ;

6 278 Z. Pawelski, T. Pałczyski d) elementy robocze: sterowanie zaworami, kontrola ruchu, redukcja drga, ograniczniki momentu, monitoring. Przyjte algorytmy sterowania uwzgldniaj aktualne wartoci wielkoci sterowanych a take charakterystyki eksploatacyjne wyznaczone podczas bada wstpnych prototypu. Dziki temu algorytmy sterowania dostosowane s do konkretnego egzemplarza urzdzenia. 2. Badania symulacyjne jako narzdzie do optymalizacji konstrukcji Dobór elementów układu napdowego wspomagano badaniami symulacyjnymi w programie MatLab Simulink. W tym celu opracowano model całego urzdzenia, czyli układów: mechanicznego, hydraulicznego, pneumatycznego i sterowania. Pierwszym etapem bada symulacyjnych było sprawdzenie prawidłowoci przyjtego algorytmu sterowania pod wzgldem sterowa dopuszczalnych, dotychczas niemoliwe bez budowy prototypu. Dziki zbudowanemu modelowi zidentyfikowano obszary sterowa dopuszczalnych. Nastpnie przeprowadzono optymalizacj wybranych elementów układu ze wzgldu na ich sprawno. Dziki temu, zmodyfikowano wybór elementów hydraulicznych, pneumatycznych i mechanicznych, m. in.: Ze wzgldu na okrelenie parametrów pracy urzdzenia moliwe było przyjcie mniejszych współczynników zapewniajcych tzw. zapas mocy, czyli wybrano silniki hydrauliczne o mniejszych chłonnociach jednostkowych (10%), siłowniki pneumatyczne o mniejszych rednicach ze wzgldu na wymagane mniejsze siły (8%), pompy zasilajce o mniejszych wydajnociach nominalnych (7%). Zmodyfikowano geometri wybranych elementów mechanicznych w celu dalszego obnienia obcie. Wstpnie ustalone parametry sterowa jak maksymalne cinienia, prdkoci znalazły swe potwierdzenie podczas bada eksperymentalnych prototypu, znacznie skracajc czas tzw. strojenia układu. 3. Prototyp skrzyni rozdzielczej Jako punkt wyjcia do modernizacji przyjto dotychczas stosowane rozwizanie i baz wiedzy w postaci dokumentacji serwisowej zawierajcej histori napraw. Problemy zidentyfikowane a nastpnie rozwizane w ramach wprowadzonych zmian w konstrukcji skrzyni rozdzielczej to: Obnienie hałaliwoci przekładni uzyskano głównie dziki wprowadzeniu kół o zbach skonych. Poprawa technologicznoci konstrukcji z uwzgldnieniem napraw serwisowych podczas eksploatacji przez zmian korpusu skrzyni oraz łoyskowania. Poprawa mechanizmu załczania napdu wewntrz przekładni, zmiana parametrów sprzgieł zbatych w celu zmniejszenia nacisków jednostkowych i łatwiejszego załczania.

7 Urzdzenie do oczyszczania kanalizacji 279 Poprawa mechanizmu załczania napdu (na zewntrz przekładni) obnienie poboru prdu przez układ cewek, poprawa niezawodnoci i trwałoci opisywanego elementu. Wprowadzenie dodatkowego wyjcia umoliwiajcego monta dodatkowego urzdzenia. Wprowadzenie wyszej klasy dokładnoci wykonania kluczowych elementów przekładni w celu zwikszenia jej niezawodnoci. Rys. 5. Widok skrzyni rozdzielczej zamontowanej w pojedzie (po lewej), przekrój poprzeczny skrzyni rozdzielczej (po prawej). Fig. 5. View of distributing gearbox mounted at vehicle (left side), distributing gearbox section (right side). 4. Nadanie znaku CE W opracowaniu procedury nadania znaku CE dla modernizowanego urzdzenia naleało uwzgldni: Zasadnicze wymagania w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczestwa dotyczce projektowania oraz wytwarzania maszyn i elementów bezpieczestwa ze wzgldu na: materiały i wyroby, owietlenie, sterowanie (bezpieczestwo i niezawodno układów sterowania, elementy sterownicze, uruchamianie, urzdzenia zatrzymujce, wyłczniki awaryjne, wybór trybu sterowania, zanik zasilania energi, oprogramowanie), ochrona przed zagroeniami mechanicznymi (stateczno, zagroenia powodowane przez: przedmioty spadajce, krawdzie lub naroa, elementy ruchome), wymagane własnoci osłon i urzdze ochronnych, konserwacja, wskaniki. Konieczno przeprowadzenia kompleksowej analizy zagroe, której wynikiem jest lista zagroe. Stanowi ona podstaw do stwierdzenia, e dana maszyna spełnia wymagania w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczestwa dotyczce projektowania i wytwarzania maszyn i elementów bezpieczestwa. Wypełnienie deklaracji zgodnoci WE dla maszyn.

8 280 Z. Pawelski, T. Pałczyski 5. Podsumowanie Wnioski ogólne: a) Zastosowanie sieci CAN w układzie sterowania znacznie rozszerzyło moliwoci sterowania i diagnostyki urzdzenia oraz uprociło jego układ elektryczny. b) Wykorzystanie bada symulacyjnych w fazie konstruowania urzdzenia obni- yło koszty budowy prototypu. c) Z przeprowadzonych bada wynika, e urzdzenie spełnia zakładane parametry. Dodatkowe czynniki potwierdzajce jako prototypu: d) Urzdzenie uzyskało pozytywne opinie uytkowników na targach POLEKO, listopad 2007r. e) Uzyskanie tytułu ciarówki miesica w czasopimie Transport, technika motoryzacyjna, stycze 2008r, rysunek 6. f) Urzdzenie do czyszczenia kanalizacji z recyrkulacj wody zostało włczone na stałe do oferty handlowej WUKO SA. Wytwórnia posiada rodki techniczne do produkcji 3-4 szt/rok. Rys. 6. Strona informacyjna: Ciarówka miesica - Transport Technika motoryzacyjna. Fig. 6. Information side: Truck of the month - Transport Technika Motoryzacyjna. Literatura [1] [2] [3] [4] Wymagania bezpieczestwa dla maszyn umieszczanych na rynkach unii europejskiej i na rynku polskim. Informator.

9 Urzdzenie do oczyszczania kanalizacji 281 Sewage cleaning device S u m m a r y At this paper there were presented steering system and distributive gearbox dedicated to sewage cleaning device realized according to purposeful project. Microprocessor steering system was based on mobile controller and CAN. Thanks to that, there were achieved model simplification and new level at functional abilities area. Modernization of distributive gearbox was focused on durability and low noise work increase using diagonal gears, bearings and dog clutch change. Thanks to those modification there were achieved the level, which allows the competition with other similar eastern products. Prac zrealizowano w ramach projektu celowego nr rejestracyjny 6 ZR8 2006C/06779 pt.: Uruchomienie produkcji zmodernizowanego urzdzenia do czyszczenia kanalizacji decyzja nr 03872/C.ZR8-6/2006.