CC BY
95
УДК 621.87; 681.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СТРЕЛОВОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО АВТОКРАНА
В.С. Щербаков, М.С. Корытов, С.В. Котькин,
Аннотация. В статье рассказывается о проведении экспериментальных исследований рабочего процесса стрелового гидравлического крана, оснащенного прибором безопасности ОНК-160С.
Ключевые слова: автомобильный кран, гидравлический кран, прибор безопасности, эксперимент.
Введение
С целью определения основных технологических характеристик автомобильного гидравлического стрелового грузоподъемного крана и подтверждения адекватности разработанных математических моделей, был проведен анализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях автокрана Ивановец КС-45717К-2 грузоподъемностью 25 т на базе КАМАЗ-65115, в ООО «Кох-Сибнефтехиммонтаж» (г. Омск, 2011 г.). При участии авторов были проведены испытания автокра-
на в реальных производственных условиях перемещении грузов (рисунок 1).
при
Рис. 1. Испытуемый автокран кс-45717К-2
Исследовались процессы поворота поворотной колонки, подъема и опускания стрелы, изменения длины телескопической стрелы, а также подъема и опускания грузовой лебедки. Испытания всех перечисленных рабочих движений проводились с грузами различной массы (от 100 кг до максимальной грузоподъемности 25000 кг), а также без груза.
Определение регистрируемых параметров и обработка результатов
Учитывая, что положение и ориентация автокрана базового шасси в трехмерном пространстве описываются шестью обобщенными координатами с индексами с 1 до 6 (q-i... q6), четырем управляемым координатам автокрана (углу поворота платформы q7, углу подъема стрелы q8, длине телескопической стрелы qg и длине грузового каната q-ю) поставлены в соответствие числовые индексы 7-10 соответственно.
В ходе эксперимента определялись минимально и максимально возможные (в зависимости от положения педали подачи топлива на ДВС автокрана в кабине крановщика, pm) скорости изменения управляемых координат крана w (поворота поворотной платформы вокруг вертикальной оси), V8п (поворота стрелы при подъеме), У8о (поворота стрелы при опускании), vgп (длины стрелы при подъеме), vg0 (длины стрелы при опускании), v-юп (длины грузового каната при подъеме груза), v-юо (длины грузового каната при опускании груза).
Обязательное оснащение стреловых грузоподъемных кранов системами безопасности типа ОНК-140, 0НК-160 и 0ГМ240 согласно Правилам ПБ 10382-00 [1, 3, 5, 6], позволило использовать возможности прибора безопасности 0НК-160С, установленного на испытуемом кране, в совокупности с установленными на кране датчиками измерения (рисунок 2) как регистратора параметров.
Встроенный в 0НК-160С регистратор параметров работы крана содержит энергонезависимые часы реального времени, а объем его памяти позволяет подробно зафиксировать всю оперативную информацию в течение 75 часов непрерывной работы. В комплект поставки исполнений приборов 0НК-160С для гидравлических кранов, выполняющего функции обеспечения безопасности, входят [2, 4, 5, 6, 7]: блок отображения информации со встроенным регистратором параметров (рисунок 2, г); датчик азимута (датчик угла поворота платформы крана, рисунок 2, а); датчик угла наклона стре-
лы маятниковый; датчик длины стрелы (рисунок 2, б); два датчика для измерения давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра подъема стрелы (рисунок 2, в); контроллер оголовка стрелы со встроенным модулем защиты от опасного напряжения; контроллер поворотной части со встроенным датчиком крена.
Рис. 2. Места установки используемых датчиков (а, б, в) и блока отображения индикации (г) ОНК-160С
Для определения технологических параметров автокрана, к которым относятся максимально и минимально возможные скорости изменения управляемых координат q7 - qio (V7max, Wmin, V8n max, V8n min, V8o m^ V8o min v9n m^ v9n min V9o m^ V9o min v10 max п, v10n
min, vioo max, Vioo min), из параметров, непосредственно измеряемых датчиками, и вычисляемых системой ОНК-160С, использовались значения: угла азимута (q7), угла наклона стрелы (q8), длины стрелы (q9), фактической массы груза mrp, и вылета R. Первые три параметра (q7, q8 и q9) прямо измеряются датчиками азимута, наклона и длины соответственно. Последние два параметра оказывают влияние на величины определяемых технологических параметров автокрана и измеряются косвенно (рассчитываются). Работа ограничителя осуществляется под управлением программы, заложенной в память микроконтроллера блока отображения информации. Измеряемые при помощи датчиков величины давлений в полостях гидроцилиндра подъема стрелы зависят от фактической массы груза mrp на крюке крана, угла наклона стрелы q8 и ее длины q9. Вылет R также зависит от непосредственно измеряемых датчиками значений q8 и q9. Таким образом, использовались сигналы с датчиков азимута, угла наклона стрелы, длины стрелы и давлений в полостях гидроцилиндра подъема стрелы.
Места установки указанных датчиков на автокране показаны на рисунке 2. Датчик азимута располагается на оси вращения (токосъемнике) платформы (рисунок 2, а). Основным элементом датчика азимута является сдвоенный проволочный переменный резистор с большой износоустойчивостью, вал которого жестко связан с соответствующими
механизмами крана. Датчик длины стрелы (также проволочный переменный резистор с большой износоустойчивостью, вал которого через редуктор связан с пружинным барабаном) совместно с маятниковым датчиком наклона стрелы располагаются на коренной секции стрелы, на расстоянии 1-2 метров от кабины крановщика (рисунок 2, б). Цифровые датчики давления врезаются в гидравлическую схему крановой установки (поршневой - в поршневую магистраль, штоковый - в штоковую, рисунок 2, в).
Все датчики, работающие с прибором безопасности ОНК-160С, установлены на кране стационарно.
Диапазон измерения азимута (угла поворота платформы крана) составляет от 0 до 360°. Диапазон измерения угла наклона стрелы относительно горизонта: от -10 до +85°.
Погрешность измерения и вычисления параметров в статическом режиме составляет не более [3]: длины стрелы (qg) ±0,05 м; угла наклона стрелы (qa) ±0,2°; азимута (q7) ±0,8°; фактической массы поднимаемого груза (тгр) ±3%; вылета (R) ±1,5%.
Для считывания информации, записанной в блок телеметрической памяти ограничителя ОНК-160С в процессе его работы в составе крана, для дальнейшей обработки на ПК, использовался считыватель телеметрической информации СТИ-3.
Специальные программы считывания и анализа информации РП 0НК-160С (рисунок 3) позволили осуществить перенос информации из СТИ-3 в ПК и последующий анализ временных зависимостей измеряемых и вычисляемых параметров средствами MS Excel (рисунок 3, г).
ЕРЯ
ВЖЯВяд
Рис. 3. Интерфейс программы считывания и анализа информации РП 0НК-160С: а) вкладка основной информации о кране; б) вкладка графической информации; в) вкладка покадровой информации; г) покадровая оперативная информация, перенесенная в MS Excel при помощи программы RPToExcel
Скорости изменения управляемых обобщенных координат q7, qa, q9, измеряемые непосредственно при помощи датчиков, значения которых зафиксированы в таблице покадровой оперативной информации, использовались для вычисления соответст-
вующих обобщенных скоростей координат щ, Va, V9 вне прибора ОНК-160С (на внешнем ПК) путем численного дифференцирования:
v(tj)= (q(tj) - qj) ) / (tj- (н),гдеJG [1;7276] -номер кадра информации в рассматриваемом эксперименте; iG [7;9] - номер управляемой обобщенной координаты q; tj - значение времени для кадра J. В описываемом эксперименте анализировалось время непрерывной работы автокрана в течение 6 ч 15 мин (одна рабочая смена). Минимально возможный покадровый шаг квантования времени (j - tn), задаваемый программой работы прибора ОНК-160С, составлял 1 с.
Кроме того, на внешнем ПК по результатам покадровой информации для каждого значения времени tj было рассчитано значение фактического грузового момента Мф, как произведения двух параметров, вычисляемых самим прибором по заложенной в него программе - фактической массы поднимаемого груза тгр, и вылета R:
Mj mptj)Rtj).
По результатам анализа данных эксперимента, были получены регрессионные зависимости максимально и минимально возможных (в зависимости от положения педали подачи топлива на ДВС крана в кабине крановщика, pm) скоростей изменения управляемых координат (V7 min, V7 max, Va min, Va max, V9 min, V9 max, V10 min, V10 max) от фактического значения массы поднимаемого груза тгр и фактического грузового момента Мф. Индекс min соответствует верхнему положению педали подачи топлива при отсутствии нажатия (pm=0), индекс max - нижнему предельному положению (Рт=1).
Скорости подъема и опускания груза (вертикального перемещения рабочего груза при помощи грузового каната V10 min, V10 max), которые не измерялись датчиками прибора 0НК-160С, были экспериментально определены по временным интервалам прохождения характерной точкой подвижного рабочего оборудования автокрана (грузового барабана) реперной точки привязки к неподвижной для барабана системе координат поворотной колонки при обработке и анализе результатов цифровой видеосъемки (рисунок 4). При этом также исследовались два режима: при полностью поднятой педали подачи топлива на ДВС (pm =0, минимально возможная скорость) и при полностью утопленной педали подачи
топлива на ДВС (pm=1, максимально возможная скорость). Для определения значения скорости подъема/опускания груза использовалась следующая зависимость:
V10=(n6nD6) / (kríAt),
где Пб - целое число оборотов барабана, определенных при совпадении точек, положение которых зафиксировано при замедленном (в 5 раз) воспроизведении видеозаписи вращения с помощью программного обеспечения для воспроизведения мультимедиа контента из файлов KMPlayer (рисунок 4); D6 - диаметр барабана с учетом уже имеющихся на нем витков каната, D6=0,37...0,46 м; At -интервал времени, в течение которого барабан повернулся на Пб витков, с (определяется по таймеру воспроизведения программы KMPlayer); кп - кратность грузового полиспаста исследуемого автокрана, кп=4.
Использование видеозаписи вращения барабана для определения скорости движения груза через грузовой понижающий полиспаст позволило повысить точность достоверность экспериментальных данных.
В результате обработки и анализа данных, полученных с регистратора параметров прибора ОНК-160С, и цифровой видеосъемки грузового барабана, были получены аппроксимационные регрессионные зависимости максимально и минимально возможных скоростей изменения управляемых координат (V7 min,
V7 max, Va min, Va max, V9 min, V9 max, V10 min, V10 max) от фактического значения массы поднимаемого груза тгр и фактического грузового момента Мф. в виде полиномов 3-й степени, и линейных уравнений (рисунок 5, таблица 1).
Заключение
Полученные уравнения регрессии могут быть использованы при автоматизированном планировании траектории перемещения груза автокраном по заданной траектории, и позволяют учесть как конструктивные возможности и ограничения гидроприводов и ДВС автокрана, так и ограничения по безопасной работе (например, отсутствие значительного раскачивания груза при задании максимальных скоростей), вручную интуитивно устанавливаемые человеком-оператором, т.е. использовать подходы из области оперативного программного управления.
Рис. 4. Определение скорости подъема и опускания груза по результатам цифровой видеосъемки
Рис. 5. Графики экспериментальных и регрессионных зависимостей максимальных и минимальных скоростей изменения управляемых координат автокрана: ♦ - экспериментальные максимальные значения (Рт =1); ■ - экспериментальные минимальные значения (рт =0)
Таблица 1 - Уравнения регрессии скоростей и значения коэффициента детерминации
Обобщенная скорость Уравнение регрессии Коэффициент детерминации R2
v7 min V7 min=(-7E-o8) Мф +o,o59 o,9718
v7 max V7 max=(-2E-o7) Мф +o,16 o,9627
V8 min V8 min=(-4E-2o) Мф3+(4E-14) Мф 2-(3E-o8) Мф +o,o248 o,85o1
V8 max V8 max=(-2E-19) Мф 3+(2E-13) Мф 2-(1E-o7) Мф +o,o64 o,94o2
V9 min V9 min=(-o,ooo1) mrp3+o,oo41 mrp2-o,o42 mrp +o,1556 o,9535
v9 max V9 max=-o,ooo3 mrp3+o,oo92 mrp2-o,1o12 mrp +o,3868 o,9552
Vio min V1o min=(-5E-o6) mrp3+o,ooo3 mrp2-o,oo5 mrp +o,o782 o,9139
Vio max V1 o max=(-1 E-o5) mrp3+o,ooo7 mrp2-o,o137 mrp +o,1988 o,9779
Библиографический список
1. Затравкин, М.И. Унифицированный ряд приборов безопасности для грузоподъемных машин / М.И. Затравкин, А.А. Зарецкий, Л.С. Каминский, Д.М. Маш и др. // Федеральный строительный рынок, 2006. - № 1-2. - С. 24-28.
2. Затравкин, М.И. Многофункциональный прибор безопасности ОНК-160С для стреловых кранов / М.И. Затравкин, Л.С. Каминский, И.А. Пятницкий и др. // Все краны. - 2006. - № 1. - С. 9-12.
3. 0НК-160С. Руководство по эксплуатации. ЛГФИ.408844.026-04 РЭ (Электронный ресурс) / URL: http://www.arzkranpribor.com/ docs/onc160c_04re_080403.zip (дата обращения: 21.07.2011). - 90 с.
4. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов и кранов-манипуляторов: ПБ 10-382-00 и ПБ 10-257-98. -Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. - 335 с.
5. РД 10-399-01 «Требования к регистраторам параметров грузоподъемных кранов». - Сб. «Промышленная безопасность при эксплуатации стреловых кранов», Сер.10, Вып.31. - М.: НТЦ
«Промышленная безопасность», 2003. - С. 218228.
6. РД СМА-001-03 «Рекомендации по применению РД 10-399-01. Требования к регистраторам параметров грузоподъемных кранов». - Сб. «Промышленная безопасность при эксплуатации стреловых кранов», Сер.10, Вып.31. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003г. - С. 229250.
7. Котельников, В.С. Комментарий к правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-382-00) / В.С. Котельников, Н.А. Шишков. - М.: МЦФЭР, 2007. - 720 с.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF WORKING PROCESS OF THE HYDRAULIC TRUCK CRANE
V.S Sherbakov, M.S. Korytov, S.V. Kotkin
The article talks about experimental researches of working process of the hydraulic crane equipped with the device of safety 0НК-160С.
Щербаков Виталий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, декан факультета «Нефтегазовая и строительная техника» СибАДИ. Основное направление научных исследований - совершенствование систем управления строительных и дорожных машин, общее количество публикаций - более 200.
Корытов Михаил Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, докторант СибАДИ. Основное направление научных исследований - автоматизация рабочих процессов мобильных грузоподъемных машин, общее количество публикаций - более 90.
Котькин Станислав Вячеславович - аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» СибАДИ. Область научных интересов - автоматизация рабочих процессов мобильных грузоподъемных машин. Имеет 8 публикаций.
УДК 621.43.068.2
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОМ
Е.С.Терещенко, Д. В. Шабалин
Аннотация. Статья посвящена описанию устройства и принципа работы системы управления работой турбокомпрессора дизеля, способной обеспечить на режиме торможения накопление энергии в виде сжатых отработавших газов, и последующее применение этой энергии на режиме разгона, и как следствие, повышение эффективности силовых установок на транспорте.
Ключевые слова: Дизель, наддув, турбокомпрессор, эффективность, система управления.
Рабочий процесс дизеля претерпевает изменения в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя, давления надувочного воздуха, подачи топлива, нагрузки.
Наиболее характерным переходным режимом автомобильного дизеля является разгон, который характеризуется резким возрастанием нагрузки на двигатель и соответственно увеличением подачи топлива в цилиндры двигателя.
В двигателях с газотурбинным наддувом газовая связь между турбокомпрессором и двигателем создает особые условия при работе на переходных или неустановившихся режимах. Чем выше давление наддува, тем больше разница в работе двигателя с газотурбинным наддувом и без него. При работе двигателя на режиме разгона давление наддува повышается медленнее, чем частота вращения коленчатого вала двигателя, что приводит к
уменьшению коэффициента избытка воздуха ниже допустимого значения. Способность турбокомпрессора быстро изменять давление наддува в соответствии с режимом работы двигателя зависит главным образом от момента инерции ротора.
Время разгона ротора турбокомпрессора можно определить по следующей зависимости:(1)
t =
J рЮном
Мтном (К +1)
ln-
К
(1)
где
J г
момент инерции ротора;
Мт„„„ - номинальный момент, развиваемый
Тном
турбиной;
со
Ыном -V
