Регулирование курсового движения роботизированного крана-трубоукладчика Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 4

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACHINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING

УДК 621.643 Б01: 10.17213/0321-2653-2019-4-78-83

РЕГУЛИРОВАНИЕ КУРСОВОГО ДВИЖЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО

КРАНА-ТРУБОУКЛАДЧИКА

© 2019 г. И.С. Шошиашвили, М.Э. Шошиашвили

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия

MOTION CONTROL OF THE ROBOTIZED CRANE-PIPELAYER

ON A SPECIFIED COURSE

I.S. Shoshiashvili, M.E. Shoshiashvili

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia

Шошиашвили Ирина Сергеевна - канд. пед. наук, доцент, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Россия. E-mail: isshosh@mail.ru

Шошиашвили Михаил Элгуджевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: shosh61@yandex.ru

Shoshiashvili Irina Sergeevna - Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor, Department «Mechatronics and Hydropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: isshosh@mail.ru

Shoshiashvili Mikhail Elgudghevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department «Mechatronics and Hydropneumo-automatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: shosh61@yandex.ru

Изложены принципы построения системы автоматического регулирования курсового движения роботизированного крана-трубоукладчика, работающего в составе изоляционно-укладочных колонн. Показано, что за счет разворачивающего момента машина смещается в сторону траншеи, что требует ее периодической остановки и корректировки курса. Предложен метод, позволяющий эффективно корректировать курс без остановки движения трубоукладчика. Метод основан на управлении положением троллейной подвески крана как функции угла отклонения грузового полиспаста от оси стрелы в плоскости разворота машины и скорости движения самого крана.

Ключевые слова: кран-трубоукладчик; изоляционно-укладочная колонна; разворачивающая сила; курсовое движение; троллейная подвеска.

The principles of developing a system for automatic regulation of a robotic pipe-laying crane course working as part of insulating and laying column are described. It is shown that due to the yawing moment the machine is displaced towards the trench and that demands its periodic closedown and course correction. A method is proposed that allows the course to be effectively adjusted without the pipelayer shut-down. The method is based on controlling the position of the crane trolley suspension.

Keywords: crane-pipelaying; insulating laying column; unfolding force; course movement; trolley suspension.

При работе в составе изоляционно -укладочной колонны (ИУК) краны-трубоукладчики подвержены действию разворачивающего момента, что объясняется действием сил трения между троллейной подвеской и трубой, а также рядом других факторов, связанных с неравно-

мерностью загрузки гусеничных движителей. Это приводит к постепенному смещению машины в ту или иную сторону от траншеи и, следовательно, к перераспределению вертикальной и горизонтальной составляющих нагрузки в грузовом канате и отклонению трубопровода от про-

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4

ектного положения, что недопустимо по технологическим причинам [1 - 3]. Корректировку курса в настоящее время производят вручную путем торможения одной из гусениц [4] или с помощью устройства, позволяющего смещать троллейную подвеску вдоль трубы в зависимости от угла отклонения грузового полиспаста от оси стрелы в плоскости разворота машины £ (рис. 1) и, тем самым, изменять разворачивающий момент [5].

90°- а

Рис. 1. Схема для определения разворачивающей силы

/ Fig. 1. Scheme for determining the yawing force

Проведенный анализ объекта и технологии показал, что величина и направление компонента разворачивающего момента - разворачивающей силы - определяется не только одной переменной (указанным выше углом £), а еще рядом переменных параметров, таких как усилие в грузовом канате Р, угол отклонения грузового полиспаста ß в поперечной плоскости машины, зависящий, в свою очередь, от угла наклона стрелы а. Разворачивающая сила Рр определяется в этом случае выражением

P = Psin(ß-а)-sin^ .

Для оценки степени влияния разворачивающей силы на устойчивость курсового движения проведем анализ этого фактора на математической модели движения трубоукладчика с троллейной подвеской. Ниже приведены основные уравнения этой модели.

Уравнение движения троллейной подвески

m

d Оп dt

F„

Pp, если un = 0;

где Оп - скорость движения подвески относительно трубы; Со - коэффициент вязкого трения подвески о трубу;

FL • signPp, если Оп = 0 и \Pp I > F0;

F =<

соп.п

тр.1

Pp, если °п =0и |Pp| ^ Fт0р.п;

F^ • signo п, если Оп * 0,

- сила сопротивления движению троллейной подвески; Fтpп - сила сопротивления качению

катков троллейной подвески по трубе. Уравнение разворота крана

J

d 2v

^ dt2

P - F

x p x соп

si ndV к dv dt v dt

• L

где V - курсовой угол трубоукладчика, определяемый направлением движения крана и касательной к траектории траншеи; Fсоп - сила сопротивления развороту крана на угол V, обусловленная, в основном, силами сухого трения; ку - коэффициент вязкого трения крана при развороте; /разв -

плечо разворота машины.

Смещение машины к краю траншеи х определяется курсовым углом V и скоростью движения трубоукладчика отр:

dx

— = - О .

dt тр

Результаты исследования модели (диаграммы изменения курсового угла V и смещения трубоукладчика х в сторону траншеи в зависимости от величины нагрузки на крюке Р) приведены на рис. 2.

о

2 4 6 8

10 12

14

L, м

16 18

I -Pp - ^оп.п - ^ • Оп, если Оп * 0

Рис. 2. Диаграмма изменения курсового угла и расстояния

до траншеи крана-трубоукладчика в зависимости от нагрузки на крюке / Fig. 2. Diagram of measuring the course angle and distance to the trench

P

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4

На рис. 2 графики 1, 2, 3 соответствуют зависимости х = ЛЬ), а графики 1 , 2 , 3 - зависимости V = ЛЬ), где Ь - пройденное трубоукладчиком расстояние вдоль траншеи. Графики с цифрой «1» получены при нагрузке на крюке Р = 150 кН, графики «2» - при Р = 200 кН и графики «3» - при Р = 250 кН. Из приведенных графиков видно, что через каждые 20 м пути при средних нагрузках на крюке кран-трубоукладчик приближается к краю траншеи на опасно близкое расстояние. Результаты моделирования полностью согласуются с проводимыми наблюдениями и экспериментальными данными [4].

Перечисленные параметры имеют случайный характер и, воздействуя на разворачивающую силу, вносят в управляющий сигнал мультипликативные составляющие помех. Кроме того, ручное управление приводом хода троллейной подвески не всегда удобно, так как отвлекает машиниста от основной выполняемой задачи, а визуальный контроль расстояния до траншеи и интуитивное определение требуемой для регулировки величины разворачивающего момента заметно снижают эффективность регулирования курса.

Для повышения эффективности работы ИУК трубоукладчики должны передвигаться на равноудаленном расстоянии от оси траншеи (или ее края). В этом случае задача регулирования состоит в ведении машины на определенном расстоянии от края траншеи в автоматическом режиме путем корректирования ее курса, определяемого траекторией траншеи.

Отклонение машины от заданного курса определяется углом V (рис. 3). В общем же случае отклонение трубоукладчика от заданного расстояния до траншеи зависит от его разворота на угол V и смещения на величину X, являющуюся следствием изменения курса. Таким образом, для регулирования курсового движения трубоукладчика необходимо определять отклонение его от заданного курса, вызванное поперечным смещением на величину Х и разворотом на угол V, и использовать это отклонение для управления положением троллейной подвески, имеющей привод хода. Для этого измерение указанного отклонения следует проводить в некоторой опережающей центр разворота машины точке А [3]. При отклонении трубоукладчика от заданного курса на угол V происходит изменение отклонения расстояния Ь опережающей точки, которое в общем случае имеет составляющие Х и АХ, где Х - отклонение трубоукладчика от заданного

курса, вызванное поперечным его смещением; АХ - отклонение трубоукладчика от заданного курса, вызванное его разворотом на угол v:

АХ = l sin р-1 sin (P-v); AX = l (sin P-sin P cos v + cos P sin v),

где l - длина выносного устройства для определения отклонения в опережающей точке; р -угол, под которым устанавливается выносное устройство.

Край траншеи л

, А а _ Направление курса

Х

Рис. 3. Схема, поясняющая принципы регулирования курсового движения / Fig. 3. Scheme explaining the principles of course motion control

Так как при малых углах v можно принять cosv « 1; sinv « v, тогда АХ = lv cos p.

В свою очередь, возникновение угла v вызывает при движении машины появление производной от отклонения Х по времени dX/dt, которая определяется как

dX

dt

' uTpv cos V !

! "ipV

(1)

где итр - скорость передвижения трубоукладчика.

С учетом последнего выражения зависимость (1) можно записать в следующем виде:

АХ =

l

итр

V тр

dX

dX

dt

dt

Определяемая с помощью измерителя отклонения величина Ь имеет составляющие

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

ь=х+к —, 1 dt

а из теории автоматического управления [6] известно, что регулирование по отклонению и его производной улучшает качество управления.

Таким образом, установив измеритель отклонения от оси траншеи до трубоукладчика под углом Р оп < 90° к поперечной оси машины, проведя измерения величины Ь и используя эту величину в качестве информационного параметра регулирования, мы достигнем поставленной цели.

Как было отмечено выше, в качестве регулирующего воздействия на трубоукладчик при управлении его курсовым движением целесообразно использовать разворачивающий момент, который можно создать путем изменения положения троллейной подвески.

Однако процесс регулирования с одной общей обратной связью по отклонению Ь не будет иметь устойчивого характера, так как структура устройства привода троллейной подвески и самого трубоукладчика включает ряд интегрирующих звеньев. Для повышения устойчивости регулирования курсового движения следует вводить внутренний контур стабилизации разворачивающей силы с дополнительной обратной связью по возмущающему параметру - скорости трубоукладчика. Задающим воздействием для этого контура является величина Ь [7, 8].

Так как получить информацию о разворачивающем моменте весьма затруднительно (это связано с постоянно меняющимся положением центра разворота), то в системе использован контур стабилизации разворачивающей силы, а

TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4

не момента. Для получения информации о разворачивающей силе было замечено, что для кранов, имеющих А-образную стрелу, а такую форму стрелы имеют все краны-трубоукладчики, разворачивающую силу Рр можно оценить, зная усилия Fi и F2 в составляющих стрелы и угол а наклона стрелы (рис. 4). Это утверждение следует из представленных ниже выражений:

F2- Fi=( f2 - F)sin а;

F2 p - F{p =( F2- Fi) sin а;

F2P - F[p = (F2 - F1) sin а sin а; PV ~F2p ~Fip=(F2 -^1) sin CT sin а.

Так как sind = const, то P ~ (F2 - Fx) sin а .

Для того чтобы составляющая силы веса стрелы на ее плоскость не влияла на измерение величин Fi и F2, эти измерения следует проводить в местах, расположенных как можно ближе к оголовку стрелы, а в качестве измерительных преобразователей могут быть использованы тен-зопреобразователи.

Учитывая, что необходимая мощность для привода хода троллейной подвески составляет (25^40) кВт, в качестве источника напряжения приводного двигателя троллейной подвески может быть использован генератор постоянного тока. Как следует из условий работы системы, когда троллейная подвеска занимает заданное положение, то ее скорость должна соответствовать скорости трубоукладчика. Для этого следует проводить измерение скорости трубоукладчика, а сигнал, пропорциональный этой скорости, суммировать с сигналом рассогласования устройства.

Стрела трубоукладчика

2а

Места установки датчиков усилий

Рис. 4. Диаграмма сил, влияющих на разворачивающий момент трубоукладчика / Fig. 4. Diagram of the forces affecting the yawing moment of the pipelayer

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4

U

зад

AU

Регулятор курса

Датчик скорости трубоукладчика

U

тр

Регулятор скорости подвески Привод хода троллейной подвески — Троллейная подвеска

Z

Рис. 5. Функциональная схема системы регулирования курсового движения трубоукладчика / Fig. 5. Functional diagram of the system of regulating the pipelayer motion course

Регулирование положения троллейной подвески в устройстве осуществляется путем изменения напряжения питания двигателя, что, в свою очередь, достигается изменением потока возбуждения генератора.

Функциональная схема системы автоматического регулирования курсового движения трубоукладчика показана на рис. 5.

В предложенной системе конструктивно сделано так, что сигнал, формирующий заданное значение отклонения от курса, равен нулю, т.е.

изад = 0. Однако он может иметь отличное от нуля значение (в случае объезда небольших препятствий и задаваться машинистом с пульта).

Выводы

Разработанные принципы регулирования курсового движения трубоукладчика в колонне путем измерения отклонения машины от заданного расстояния до траншеи в опережающей центр разворота точке и изменения положения троллейной подвески позволяют эффективно не только поддерживать заданный курс машины, определяемый траекторией траншеи, но и в определенных пределах изменять его.

Литература

1. Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С. Мехатронные комплексы для строительства и ремонта магистральных трубопроводов. Принципы построения // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 6. С. 90 - 94.

2. Shoshiashvili I., Shoshiashvili M. Principles of construction of control devices for mechatronic pipe-lay complexes // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016 - Proceedings [Электронный ресурс] - Chelyabinsk: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017. / Режим доступа: http://ieeexplore.ieee.org/document/7910956/ (дата обращения 17.06.2019)

3. Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С. Система регулирования координаты подвеса груза роботизированного крана-трубоукладчика // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2016. № 1. С. 25 - 29.

4. Ващук И.М., Толстое А.В. Исследование статических нагрузок на трубоукладчик // Тр. ВНИИСтройдормаш. 1980. №86. С. 10 - 18.

5. А.с. № 1162729 СССР. МКИ В 66 С 1/56. Троллейная подвеска для магистральных трубопроводов /Е.А. Аникин, В.Л. Чумаков. Опубл. 22.06.85. Б.И. №18.

6. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесе-керский, Е.П. Попов. 4-е изд., перераб. и доп. СПб. Изд-во «Профессия», 2003. 752 с.

7. Патент № 2019496 Российской Федерации. МКИ В 66 С 1/56. Способ регулирования курсового движения трубоукладчика и устройство для его осуществления / В.Т. За-городнюк, Г.Г. Гудиков, М.Э. Шошиашвили, Д.Я. Паршин, А.И. Фабриков. Опубл. 15.09.94. Б.И. № 17.

8. А.с. № 1728116 СССР. МКИ В 66 С 1/56. Способ управления краном-трубоукладчиком с троллейной подвеской / М.Э. Шошиашвили, Г.Г. Гудиков, Д.Я. Паршин. Опубл. 23.04.92. Б.И. № 15

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4

References

1. Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S. Mekhatronnye kompleksy dlya stroitel'stva i remonta magistral'nykh truboprovodov. Printsipy postroeniya [Mechatronic complexes for construction and repair of main pipelines. Principles of construction]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2013, no. 6, pp. 90 - 94. (In Russ.)

2. Shoshiashvili I., Shoshiashvili M. Principles of construction of control devices for mechatronic pipe-lay complexes /2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016 - Proceedings. Chelyabinsk: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017. Available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/7910956/ (accessed 17.06.2019)

3. Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S. Sistema regulirovaniya koordinaty podvesa gruza robotizirovannogo krana-truboukladchika [System of regulation of the load suspension coordinates of a robotic crane-pipelayer]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2016, no. 1, pp. 25 - 29.

4. Vashchuk I.M., Tolstov A.V. Issledovanie staticheskikh nagruzok na truboukladchik [Study of static loads on the pipelayer]. Tr. VNIIStroidormash, 1980, no. 86, pp. 10 - 18. (In Russ.)

5. Anikin E.A., Chumakov V.L. Trollejnaya podveska dlya magistralnyh truboprovodov [Trolley suspension for trunk pipelines]. A.s. SSSR, no. 1162729 SSSR, 1985.

6. Besekerskii V.A., Popov E.P. Teoriya sistem avtomaticheskogo upravleniya [Theory of automatic control systems]. Sankt-Peterburg, Publ. "Professiya", 2003, 752 p.

7. Zagorodnyuk V.T., Gudikov G.G., Shoshiashvili M.E., Parshin D.Ya., Fabrikov A.I. Sposob regulirovaniya kursovogo dvizheniya truboukladchika i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [The method of regulating the course movement of the pipelayer and the device for its implementation]. Patent RF, no. 2019496, 1994.

8. Shoshiashvili M.E., Gudikov G.G., Parshin D.Ya. Sposob upravleniya kranom-truboukladchikom s trolleinoi podveskoi [The method of controlling a pipe-laying crane with a trolley suspension]. A.s. SSSR, no. 1728116, 1992.

Поступила в редакцию /Received 18 октября 2019 г. / October 18, 2019