CC BY
128
унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2005. 429 с.
2. Патент РФ № 2440924 В66С13/18. Способ управления грузоподъёмным краном / Сорокин П. А., Чернов А.В., Редькин А.В. Опубл. в Б.И. № 3, 2012.
Редькин Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., ra171171 @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CONTROL METHOD OF JIB CRANE WITH THE DEFINITION OF ADDITIONAL DYNAMIC LOADS
A. V. Redkin
A method for controlling jib crane, allowing to take into account additional overturning moments that occur during the execution of lifting operations because of the forces of inertia and external disturbances.
Key words: jib crane, security, stability, control system, inertial loads.
Redkin Aleksey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ra171171 @yandex. ru, Russia, Tula, the Tula state university
УДК 621.873.1
МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ БАШЕННОГО КРАНА С УЧЁТОМ ВЕТРОВОГО НАГРУЖЕНИЯ
А.В. Редькин, П. А. Сорокин
Рассмотрена возможность модернизации системы безопасности стационарных башенных кранов путём введения управления на основе нечёткой логики с интегрированными датчиками направления ветра и крутящего момента и использования гидродинамической муфты.
Ключевые слова: башенный кран, безопасность, устойчивость, система управления, гидродинамические муфты, ветровые нагрузки.
При разработке систем управления рабочими операциями стационарных башенных кранов важнейшим условием является обеспечение устойчивости к опрокидыванию. Производительность грузоподъёмных операций, выполняемых башенными кранами, и, в значительной степени, безопасность работ зависят от информированности оператора о текущем положении рабочего оборудования в течение всего времени выполнения
238
этих работ, а также от воздействий на металлоконструкцию крана внешних возмущений. Для башенных кранов наиболее важными является ряд факторов, связанных с изменением динамики ветрового потока.
В настоящее время для контроля устойчивости крана в условиях высоких скоростей ветра является система «ограничитель грузоподъемности - анемометр», которая работает в режиме индикации и не оказывает активных управляющих воздействий до момента достижения критического значения устойчивости. Устойчивость стационарного крана при грузовом нагружении обеспечивается штатной системой состоящей из группы датчиков «Ограничитель грузоподъемности», микропроцессора, блока индикации. Однако, при выполнении рабочих операций может сложиться ситуация, когда изменение динамики и увеличение скорости ветрового потока могут привести к потере устойчивости.
Системы защиты, обеспечивающие безопасность ведения работ, рассматриваются так же и как устройства с повышенными информационными свойствами, позволяющие машинисту крана ориентироваться в окружающей обстановке, избежать аварии, повреждения груза и конструкций, расположенных вблизи объекта.
Все системы защиты построены на принципе определения степени приближения значения текущего параметра нагружения к некоторому предельному значению, приводящему к опрокидыванию. Реализация определения этого значения в большинстве систем безопасности базируется на классических логических принципах сравнения эталонной математической модели с моделью, полученной в результате вычислений функций с входными переменными, выражающими параметры грузоподъемной машины.
Принимая во внимание изменчивость скоростного потока и малую продолжительность периода трансформации схемы опирания, когда крановая установка проходит состояние неустойчивого равновесия, а также факт концентрации внимания машиниста крана на перемещаемом объекте, процесс управления системой в условиях высоких ветровых нагрузок должен осуществляться бортовым автоматическим устройством.
Модернизированная система безопасности башенного крана [1] содержит набор датчиков, электронные компоненты управления и регистрации параметров крана, блок визуальной индикации, шину данных и аппаратуру управления устойчивостью (рис. 1).
Основные интегрируемые датчики - датчик крутящего момента и датчик направления ветра. Для определения крутящего момента от ветровой нагрузки, возможно использование двух логических подходов: интегрировать датчик в кинематическую схему поворота башни или расположить непосредственно на оси поворота крана. И в том и другом случае используется контактный датчик для измерения крутящего момента на продолжительно вращающихся элементах различных модификаций.
Предпочтительнее устанавливать датчик крутящего момента на бы-
строходный вал редуктора поворота башни, т.е. интегрировать в кинематическую схему механизма поворота. Это связанно в первую очередь с тем, что пониженный крутящий момент на быстроходном валу редуктора будет намного меньше момента снятого непосредственно на оси вращения крана. Следовательно, возможно использование более дешевого датчика с меньшими значениями рабочих характеристик, но в этом случае возникает вероятность увеличения погрешности показаний крутящего момента вследствие потерь на трение в механизмах редуктора и опорноповоротного устройства, также дополнительно возникает необходимость тарировки показаний датчика. Выбор типа датчика зависит от конструкции крана и возможностей установки.
Рис. 1. Схема расположения оборудования крана
Для определения направления ветрового потока возможно использовать датчики с заложенными функциями определения скорости и направления ветра. Из описания принципиальной схемы ясно, что в любом состоянии при превышении заданных параметров работы крана ведущих к потере устойчивости, система формирует сигнал на аппаратуру управления устойчивостью. Аппаратура управления устойчивостью представляет собой гидродинамическую или электромагнитную муфту, установленную в кинематическую схему механизма поворота крана, в разрыв между тормозом и редуктором поворота крана.
Использование гидродинамической муфты возможно при наличии на кране штатного гидравлического оборудования. Благодаря использованию современных технологий проектирования на Российском рынке появились принципиально новые конструкции лёгких башенных кранов как отечественных, так и зарубежных производителей. Отличительной особенностью данного класса кранов является возможность проведения само-монтажа [2]. Монтаж стационарного башенного крана в рабочее положение осуществляется при помощи гидроцилиндров управляемых насосной станцией. Поэтому в данном случае возможно использование гидродинамической муфты постоянного заполнения, состоящей из трех принципиальных конструктивных элементов (рис. 2): 1 - внутреннее лопаточное колесо, соединяемое непосредственно с валом двигателя, выполняет функцию насоса; 2 - внешнее лопаточное колесо, соединяемое с ведомым валом, выполняет функцию турбины; 3 - крышка, соединенная посредством фланцев с внешним лопаточным колесом, образует герметичную полость гидромуфты.
Рис. 2. Гидродинамическая муфта
Два первых элемента в зависимости от монтажной схемы могут в работе выполнять взаимообратные функции: внешнее колесо 1 может быть насосом, а внутреннее колесо 2 - турбиной. Мощность и крутящий момент, передаваемые гидромуфтой, определяются скольжением колес, т.е. разницей скоростей вращения насоса и турбины. Скольжение является основным фактором, определяющим функционирование гидромуфты, обес-
241
печивающим передачу крутящего момента и мощности.
Интегрированная в механизм поворота башни гидродинамическая муфта с изменяемым КПД позволяет реализовать функцию автоматического управления башенным краном следующим образом: в режиме нормальной работы крановой установки гидродинамическая муфта работает с полной отдачей, обеспечивая практически жесткую кинематическую связь. Кинетическая энергия ветрового воздействия направленная на опрокидывание крановой установки, трансформируется в потенциальную энергию поворота башни, причем при условии не полного оттока жидкости, часть энергии рассеивается в гидродинамической муфте. Далее при увеличении скорости ветрового потока контроллер посылает управляющие сигналы на гидродинамическую муфту для обеспечения полного оттока жидкости. Жесткая кинематическая связь «тормоз - гидродинамическая муфта - редуктор» нарушается и как следствие кинетическая энергия ветра, трансформируется в потенциальную энергию поворота башни, тем самым обеспечивая устойчивость.
В нерабочем состоянии крана постоянный контроль и установка стрелового устройства по ветру, достигается изменением КПД муфты в зависимости от сигналов управления поступающих с контроллера. При достижении оптимальных положений стрелы, КПД муфты увеличивается, стреловое устройство фиксируется, при этом раскачивание стрелы из стороны в сторону и изменение наветренной площади полностью исключены.
Система привода без гидромуфты с прямым запуском двигателя имеет серьезные недостатки:
разница между крутящим моментом двигателя и крутящим моментом, необходимым для запуска системы до момента времени, когда частота вращения ротора двигателя не достигнет 80-85% номинальной, очень мала;
потребляемый электрический ток при запуске в 6-7 раз больше номинального, что вызывает повышение температуры двигателя, перегрузку электрических линий в случае частых запусков, повышение стоимости эксплуатации.
Использование гидромуфт позволяет снизить потребление электричества и дает возможность электродвигателю запускаться практически без нагрузки, а так же снизить пики пускового тока и время его действия. Запас крутящего момента для быстрого ускорения и разгона ротора двигателя при установке гидромуфты значительно больше, чем при ее отсутствии в приводе. На рис. 3 показано сравнение величины электрического тока при запуске привода без гидромуфты и его запуске в случае установки гидромуфты между двигателем и редуктором.
Площадь между кривыми для случая использования гидромуфты и при ее отсутствии отражает потери энергии, переходящие в тепло при пуске двигателя без гидромуфты.
При построении системы безопасности стационарного башенного
крана рекомендуется использовать гидродинамические муфты содержащие камеру задержки заполнения, характеризующиеся пониженным крутящим пусковым моментом, который при максимально допустимом заполнении гидромуфты и стандартном конструктивном исполнении не превышает 200% номинального значения крутящего момента.
600
ас
5 500
I 300
200 100
0 20 4 0 60 80 100%
Рис. 3. Зависимость величины потребляемого тока от частоты вращения ротора электродвигателя
В неподвижном состоянии механизма, камера задержки заполнения содержит в своей полости часть общего объема масла. В связи с этим сокращается, полезное количество масла в рабочей полости, а следовательно достигается эффект запуска с уменьшением крутящего момента. Благодаря этому электродвигатель более легко запускается и быстро достигает рабочей частоты вращения. При использовании обычной камеры задержки заполнения отношение пускового крутящего момента к номинальному крутящему моменту может снижаться до 150%. Преимущество использования гидродинамической муфты с камерой задержки заполнения становятся более очевидным с ростом нагрузки на стреловое устройство, в результате действия ветрового потока. Другими словами при выполнении операций по перемещению грузов с ориентацией стрелового устройства против ветра, в момент пуска и набора номинальной скорости вращения, электродвигатель будет испытывать меньшие перегрузки.
Устройство обеспечения устойчивости стационарного башенного крана в условиях высокого ветрового нагружения в нерабочем состоянии построено на принципе корректировки и поддержании заданного положения стрелы крана параллельно направлению ветра, по средствам управления аппаратурой обеспечивающей устойчивость с возможность изменения жесткости, внедренной в кинематическую схему поворота башни. В нерабочем состоянии при высоких ветровых нагрузках программа использует соответствующий нечеткий алгоритм [3]. Сигналы с датчиков крутящего
момента, положения стрелового устройства и направления ветрового потока поступают в контроллер и анализируются. В зависимости от полученных результатов, формируются сигнал управления аппаратурой автоматического управления устойчивостью интегрированной в кинематическую схему механизма поворота с возможностью изменения жесткости.
В рабочем состоянии основная функция устройства безопасности это прогнозирование увеличения скорости ветрового потока и вывод соответствующей информации на блок визуальной индикации. В критических ситуациях при превышении максимально допустимой скорости для рабочего состояния крана, устройство выполняет функцию автоматической корректировки устойчивости. Тем самым обеспечивается постоянный контроль и управление устойчивостью стационарного башенного крана в условиях высоких ветровых нагрузок.
Список литературы
1. Патент РФ № 2426684. Устройство управления устойчивостью стационарного башенного крана / Сорокин П.А., Редькин А.В., Жерна-ков Г.А., Обыденов В.А. Опубл. в б.и. № 23, 2011.
2. Обыденов В.А. Особенности и преимущества башенных кранов малой грузоподъемности // Молодые исследователи - регионам: материалы Всероссийской научной коференции студентов и аспирантов. В 2-х т. Вологда: ВоГТУ, 2009. Т.1. С. 192-195.
3. Анцев В.Ю., Редькин А.В., Сорокин П.А., Обыденов В.А. Алгоритмы нечёткой логики в управлении устойчивостью стационарного башенного крана // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 117-123.
Редькин Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., ra171171 @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сорокин Павел Алексеевич, д-р техн. наук, проф., _pavalsor@rambler.ru, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения
MODERNIZATION OF CONTROL SYSTEM OF TOWER CRANE IN VIEW OF WIND LOADINGAND DRIVE TOWER CRANE IN VIEW OF WIND LOADING
A. V. Redkin, P.A. Sorokin
The possibility of upgrading the security system of stationary tower crane by the introduction of controls on the basis offuzzy logic with integrated sensors wind, direction and torque, and the use of hydrodynamic coupling.
Key words: tower crane, security, stability, control system, hydraulic couplings, wind loads.
Redkin Aleksey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ra171171 @yandex. ru, Russia, Tula, the Tula state university,
Sorokin Pavel Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, paval-sor@rambler. ru, Russia, Moscow, Moscow state university of means of communication
