CC BY
165
УДК 621.86
СИСТЕМА ГАШЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ГРУЗА, ПЕРЕМЕЩАЕМОГО МОСТОВЫМ КРАНОМ
В. С. Щербаков, М. С. Корытов, Е. О. Вольф ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Россия, г. Омск
Аннотация. Описывается система, которая используется для точных перемещений грузов на канатном подвесе и для гашения их пространственных колебаний. Технический результат достигается за счет того, что к грузовой тележке крана снизу шарнирно прикреплена штанга с направляющими роликами, повороты которой осуществляются при помощи двух гидроцилиндров.
Ключевые слова: мостовой кран, штанга, направляющие ролики, гидроцилиндры, гашение колебаний, канатный подвес груза.
Введение
Проблема гашения маятниковых пространственных колебаний груза при перемещении его грузоподъемным краном является актуальной. Ее решение позволит значительно повысить точность перемещения груза, а так же уменьшить время, затрачиваемое на гашение колебаний. В качестве подобной системы может быть рассмотрен мостовой кран с канатным подвесом, перемещающий груз в трехмерном пространстве [1, 2, 3, 4].
Описание системы
Известен мостовой кран, включающий металлическую конструкцию моста, грузовую тележку с механизмом передвижения и механизмом подъема груза, причем последний выполнен в виде двустороннего гидроцилиндра, корпус которого крепится вертикально к кронштейнам, установленным на раме грузовой тележки, а к штоку гидроцилиндра шарнирно крепится грузовой крюк. [5]. Применение жесткого подвеса груза в виде гидроцилиндра повышает точность перемещений и устраняет маятниковые пространственные колебания груза с большой амплитудой.
Однако известное устройство обладает следующими недостатками: жесткий подвес крюка усложняет ручную строповку штучных грузов в связи с необходимостью более точного позиционирования крюка и гидроцилиндра над грузом. Производительность крана при этом снижается за счет увеличения времени, затрачиваемого на более точное наведение и ручную строповку. Ход гидроцилиндра механизма подъема груза ограничен максимальным пределом в несколько метров, что значительно уменьшает диапазон высот перемещения груза мостовым краном и ограничивает область его применения. В то же время, гибкий подвес груза лишен данного недостатка и может обеспечить длину грузо-
вого каната и высоту подъема груза до нескольких десятков метров и более. Мостовой кран с жестким подвесом груза обладает в сравнении с краном с гибким подвесом груза большей динамической нагруженностью. Кроме того, жесткий подвес груза применить не всегда возможно. Он может за счет консольного расположения вертикального гидроцилиндра подъема относительно тележки вызывать вибрации перемещаемого груза и шарнирно закрепленного на штоке гидроцилиндра подъема крюка со значительными горизонтальными ускорениями, особенно при максимальном выдвижении штока, при разгонах и торможениях моста и грузовой тележки крана. Это не всегда допустимо, т.к. может привести к повреждению некоторых видов грузов или нарушению условий их транспортировки (жидкости, хрупкие грузы и т.п.).
Так же известен мостовой кран [6], включающий металлическую конструкцию моста, грузовую тележку с механизмом передвижения и механизмом подъема груза, причем последний выполнен в виде гибкого канатного подвеса, приводимого в движение электродвигателем. Перемещение верхней точки канатного подвеса груза, расположенной на грузовой тележке, в продольном направлении осуществляется только движением моста крана, а в поперечном направлении - только движением грузовой тележки крана вдоль моста. Мост и тележка крана движутся по рельсам на металлических приводных колесах. Механизмы подъема крюка с грузом и передвижения грузовой тележки крана по мосту расположены на раме тележки. Масса моста такого крана составляет от 20 до 100 %, а крановой тележки - примерно 25 % от массы номинальной грузоподъемности крана [6]. Верхней точкой маятниковой системы свободного канатного подвеса груза, от коор-
динат которой зависят углы наклона каната и направление ускорения груза, в данном мостовом кране является неподвижный относительно грузовой тележки верхний блок грузового полиспаста.
Недостатками данного мостового крана являются: невозможность движения с большими ускорениями моста и грузовой тележки крана, а следовательно, верхней точки маятниковой системы свободного канатного подвеса груза, в связи с их значительными массами и наличием конструктивных ограничений по сцеплению приводных колес моста и грузовой тележки с рельсами, по которым они передвигаются. Используемые в приводах моста и грузовой тележки мостового крана асинхронные электродвигатели с комплексом механизмов, передающих движение (редукторы), не могут обеспечить движение перемещаемых ими больших масс с большими ускорениями. Вследствие этого, возможности данного крана по повышению точности перемещения и гашению маятниковых пространственных колебаний грузов быстрым компенсирующим движением верхней точки маятниковой системы свободного канатного подвеса груза в горизонтальной плоскости и изменением углов наклона грузового каната - существенно ограничены. При этом уменьшение массы грузовой тележки и, особенно, моста крана, затруднено необходимостью, в силу различных причин, обеспечения достаточной жесткости металлоконструкции крана.
Задачей предлагаемой системы является повышение точности перемещения мостовым краном груза в пространстве, уменьшение времени перемещения и повышение эффективности гашения колебаний груза за счет расширения конструктивных особенностей [7, 8].
При этом достигаются следующие технические результаты:
1) повышение при работе крана максимальных достижимых ускорений, скоростей и перемещений верхней точки маятниковой системы свободного канатного подвеса груза в горизонтальных направлениях без увеличения ускорений, скоростей и перемещений моста и грузовой тележки крана, либо при снижении ускорений, скоростей и перемещений последних;
2) повышение эффективности гашения сложных пространственных маятниковых колебаний груза;
3) повышение точности пространственного перемещения груза и эффективности его наводки;
4) уменьшение времени перемещения груза [7, 8].
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в мостовом кране, включающем в себя металлическую конструкцию моста, грузовую тележку с механизмом передвижения и механизмом подъема груза в виде гибкого канатного подвеса, к грузовой тележке крана снизу шарнирно крепится штанга, пространственные повороты которой, осуществляемые двумя гидроцилиндрами с большими ускорениями, быстро изменяют в определенных пределах расположение верхней точки маятниковой системы свободного канатного подвеса груза относительно грузовой тележки, преимущественно в горизонтальных направлениях. Верхней точкой маятниковой системы свободного канатного подвеса груза, от координат которой зависят углы наклона каната и направление ускорения груза, в заявляемом устройстве становится нижняя, подвижная точка штанги с направляющими роликами в количестве 2п (где п - кратность грузового полиспаста крана). За счет парного расположения роликов в нижней части штанги, они образуют вместе п замкнутых профилей отверстий, через которые проходят п ветвей грузового каната крана, что позволяет ускоренно перемещать верхнюю точку маятниковой системы свободного канатного подвеса груза. Две вращательные степени свободы шарнира штанги позволяют нижней части штанги при ее поворотах относительно тележки перемещаться в направлениях поступательных движений моста и тележки крана соответственно. Повороты штанги относительно тележки осуществляются двумя гидравлическими цилиндрами, каждый из которых соединен двумя сферическими шарнирами с собственным кронштейном на тележке и с нижней частью штанги соответственно. Для определения фактических декартовых координат груза в текущий момент, мостовой кран оснащается датчиками положения рабочего оборудовании, измеряющими углы отклонения грузового каната от гравитационной вертикали в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях перемещения моста и грузовой тележки соответственно, датчиком длины грузового каната, датчиками линейных перемещений моста и грузовой тележки, датчиками линейных перемещений штоков гидроцилиндров. Выработка управляющих команд для приводов моста, грузовой тележки и двух гидроцилиндров осуществляется микропроцессорным блоком управления по сигналам датчиков положения рабочего оборудовании крана с учетом заданных (требуемых) в текущий момент времени координат крюковой обоймы.
Штанга с направляющими роликами и гидроцилиндры имеют намного меньшую массу, чем мост и грузовая тележка, в то же время ускорения, которые способны обеспечить гидроцилиндры, намного выше, чем ускорения моста и тележки, перемещающихся на колесах по рельсовому пути при помощи электродвигателей [7, 8].
Повышение эффективности гашения колебаний груза, управляемости и точности отработки заданной траектории его перемещения происходит за счет появления возможности быстрых, с большими ускорениями, компенсирующих горизонтальных перемещений
Рис. 1. Мостовой кран с изменяемым углом наклона грузового каната для гашения колебаний груза
Рис. 2. Направляющие ролики мостового крана с изменяемым углом наклона грузового каната для гашения колебаний груза
находящейся на штанге, вращающейся относительно грузовой тележки, верхней точки маятниковой системы свободного канатного подвеса груза и изменения угла наклона грузового каната.
Конструкция поясняется прилагаемыми чертежами, где на рисунке 1 показан мостовой кран. На рисунке 2 показаны направляющие ролики в нижней части штанги, являющиеся верхней точкой маятниковой системы свободного канатного подвеса груза, с пропущенными через их отверстия ветвями грузового каната (пример приведен для грузового полиспаста с кратностью, равной двум).
Мостовой кран включает металлическую конструкцию моста 1, грузовую тележку 2 с механизмом передвижения и механизмом подъема груза, выполненным в виде гибкого канатного подвеса. К грузовой тележке 2 крана снизу при помощи шарнира 3, имеющего две вращательные степени свободы, крепится штанга 4 с направляющими роликами 5 в количестве 2п (где п - кратность грузового полиспаста крана) в нижней ее части, которые попарно расположены так, что образуют вместе п замкнутых профилей отверстий (калибров) формы, близкой к окружности. Диаметр окружности отверстий незначительно превышает диаметр грузового каната крана 6. Две вращательные степени свободы шарнира штанги позволяют нижней части штанги при ее поворотах относительно тележки, перемещаться в направлениях движения моста и тележки крана соответственно. На кронштейнах 7 грузовой тележки к последней при помощи сферических шарниров 8 крепятся корпуса (гильзы) 9 двух гидроцилиндров, оси движения штоков 10 которых при вертикальном расположении штанги совпадают с направлениями движения моста 1 и грузовой тележки 2 соответственно, а штоки 10 выдвинуты на половину их максимального хода. Штоки 10 гидроцилиндров при помощи сферических шарниров 11 крепятся к нижнему концу штанги. При применении п-кратного грузового полиспаста грузовой канат подвеса п раз пропускается через замкнутые профили отверстий направляющих роликов в нижней части штанги 4. Неподвижный блок полиспаста 12, входящий в конструкцию подвеса, закрепляется на грузовой тележке 2. Подвижный блок полиспаста (крюковая обойма) 13 с крюком и грузом располагаются внизу. Устройство включает в себя также приводы моста и грузовой тележки крана 14. Электронные компоненты устройства включают в себя датчики положения рабочего оборудования крана 15, микропроцессорный блок управления 16, блок задания требуемой траектории груза 17 (рис.3).
Рис. 3. Блок-схема работы системы га
Система работает следующим образом. Задается требуемая траектория перемещения груза, включая промежуточные и конечную целевую точки, при помощи блока задания требуемой траектории груза 17, которая заносится в память микропроцессорного блока управления 16. При инициированном оператором перемещении груза крюковой обоймой 13, микропроцессорным блоком управления 16 по сигналам датчиков положения рабочего оборудовании крана 15 определяются текущие координаты крюковой обоймы 13, которые сравниваются с заданными. Если возникает отклонение фактических текущих координат крюковой обоймы (груза) от заданных координат, оперативное уменьшение данного отклонения происходит за счет быстрого изменения углов наклона грузового каната крана 6, когда верхняя точкой маятниковой системы свободного канатного подвеса груза смещается в направлении, противоположном этому отклонению. Микропроцессорным блоком управления 16 подаются управляющие команды приводам подвижных элементов оборудования крана 9, 10, 14.
При изменении длины выдвижения штоков гидроцилиндров 10 происходит смещение штанги 5 и отверстий, образованных направляющими роликами 5 на нижнем конце штанги, а вместе с ними смещаются ветви грузового каната 6, что приводит к изменению углов наклона грузового каната 6 и крюковой обоймы 13 с грузом относительно вертикали в продольном и поперечном направлениях.
Изменение декартовых координат направляющих роликов 5 (верхней точкой маятниковой системы свободного канатного подвеса груза) в пространстве происходит при помощи: - линейных перемещений моста кра-
ия пространственных колебаний груза
на 1 и грузовой тележки 2 с учетом имеющихся динамических ограничений характеристик их приводов (плавные разгоны и торможения); - быстрых, с большими ускорениями (при необходимости), угловых перемещений штанги 4 при помощи штоков двух гидроцилиндров 10. Согласование перемещений двух указанных пунктов происходит при помощи микропроцессорного блока управления 16.
Использование новых элементов: штанги, направляющих роликов, двух гидроцилиндров поворотов штанги, датчиков положения рабочего оборудовании крана и микропроцессорного блока управления, обеспечивает повышение максимальных достижимых ускорений, скоростей и перемещений верхней точки маятниковой системы свободного канатного подвеса груза в горизонтальных направлениях, повышение эффективности гашения сложных пространственных маятниковых колебаний груза, повышение точности пространственных перемещений груза и эффективности его наводки, уменьшение времени перемещения груза за счет больших максимально достижимых его ускорений в сравнении с прототипом, поскольку массы двух гидроцилиндров и штанги на порядки меньше масс моста и грузовой тележки крана, а быстродействие гидроцилиндров значительно превышает быстродействие электродвигателей. Быстрое изменение наклона грузового каната обеспечивает оперативное ускорение груза в требуемом направлении.
Предлагаемая система может быть изготовлена промышленным способом из серийно выпускаемых узлов и агрегатов, а также с использованием существующих современных электронных компонентов и технологий [7, 8].
Заключение
Результатами применения данной системы являются: повышение точности перемещения груза, уменьшение времени перемещения за счет повышения ускорений, скоростей и перемещений верхней точки канатного подвеса груза, повышена эффективности гашения колебаний груза и точности его наведения.
Библиографический список
1. Щербаков, В. С. Экспериментальные исследования рабочего процесса кран-балки / В. С. Щербаков, М. С. Корытов, Е. О. Вольф // Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал. - Омск: СибАДИ. - 2014. - № 2 (36).- С. 87-93.
2. Корытов, М. С. Способ повышения точности траектории перемещения объекта грузоподъемным краном путем компенсации его неуправляемых пространственных колебаний / М.С. Корытов,
B.С. Щербаков, Е.О. Вольф // Механизация строительства. - 2014. - № 2. - С. 21-25.
3. Корытов, М. С. Автоматизация синтеза оптимальных траекторий перемещения грузов мобильными грузоподъемными кранами в неоднородном организованном трехмерном пространстве: монография / М. С. Корытов. - Омск: СибАДИ, 2012. - 380 с.
4. Щербаков, В. С. Результаты сравнительного анализа алгоритмов планирования траектории движения объекта с учетом его угловых координат в трехмерном пространстве с препятствиями / В.
C. Щербаков, М. С. Корытов // Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал. - Омск: СибАДИ. - 2011. - № 1 (19).- С. 68-74.
5. Патент №137281 РФ, МПК В66С17/00. Мостовой кран / Галдин Н.С., Ерёмина С.В., Курбацкая О.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)». - N 2013135354/11; заявл. 26.07.2013; опубл 10.02.2014. - 8 с.
6. Александров, М. П. Подъемно-транспортные машины. - М.: Высш. шк., 1985. - 520 с.
7. Пат. 146002 Российская Федерация, МПК В66С13/04. Мостовой кран / Щербаков В.С., Коры-тов М.С., Вольф Е.О.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" ^и); № 2014117419/11; заявл. 29.04.14; опубл. 27.09.14. Бюл. № 27. 2 с
8. Пат. 146374 Российская Федерация, МПК В66С13/04. Мостовой кран / Щербаков В.С., Коры-тов М.С., Вольф Е.О.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибА-
ДИ)" (RU); № 2014120325/11; заявл. 20.05.14; опубл. 10.10.14. Бюл. № 28. 2 с.
SYSTEMS FOR DAMPING SPATIAL OSCILLATIONS OF A CARGO MOVED BY BRIDGE CRANE
V. S. Shcerbakov, M. S. Korytov, E. O. Volf
Abstract. The article dwells on a system used for precise movements of cargos on a rope suspension and for damping their spatial oscillations. Technical result is achieved by attaching a rod with guide rollers, rotating by means of two hydraulic cylinders, to a crane's load trolley from below.
Keywords: bridge crane, rod, guide rollers, hydraulic cylinders, damping spatial oscillations, rope suspension of a cargo.
References
1. Shcherbakov V. S., Korytov M. S., Volf E. O. Jeksperimental'nye issle-dovanija rabochego processa kran-balki [Experimental research of a working process of a cathead]. Vestnik SibADI, 2014, no 2 (36). pp. 87-93.
2. Korytov M. S., Shcherbakov V. S., Volf E. O. posob povyshenija tochnosti traektorii peremeshhenija obekta gruzopodemnym kranom putem kompensacii ego neupravljaemyh prostranstvennyh kolebanij [A method for increasing the accuracy of the trajectory of object's movement by luffing crane using compensation of its unmanaged spatial oscillations]. Mehanizacija stroitel'stva, 2014, no 2. pp. 21-25.
3. Korytov M. S. Avtomatizacija sinteza op-timal'nyh traektorij peremeshhenija gruzov mo-bil'nymi gruzopodemnymi kranami v neodno-rodnom organizovannom trehmernom prostranst-ve: monografija [Automation of the synthesis of optimal trajectories of moving goods by mobile luffing cranes in a nonuniform organized three-dimensional space: monograph. Omsk: SibADI, 2012. 380 p.
4. Shcherbakov V. S., Korytov M. S. Rezul'taty sravnitel'nogo analiza algoritmov planirovanija traektorii dvizhenija obekta s uchetom ego uglovyh koordinat v trehmernom prostranstve s prepjatstvijami [Results of a comparative analysis of the algorithms of planning trajectory of an object's movement considering its angular coordinates in three-dimensional space with obstacles]. Vestnik SibADI, 2011, no 1 (19). pp. 68-74.
5. Galdin N. S., Eremina S. V., Kurbatskaja O. V. Mostovoj kran [Bridge crane]. Patent RF no 2013135354/11, 2014
6. Aleksandrov M. P. Podemno-transportnye mashiny [Lifting and carrying machinery]. - Moscow, Higher. sc., 1985. 520 p.
7. Shcherbakov V. S., Korytov M. S., Volf E. O. Mostovoj kran [Bridge crane] Patent RF no 2014117419/11, 2014.
8. Shcherbakov V. S., Korytov M. S., Volf E. O. Mostovoj kran [Bridge crane] Patent RF no 2014120325/11, 2014.
Щербаков Виталий Сергеевич (Россия, г. Омск) - доктор технических наук, профессор, декан факультета Нефтегазовая и строительная техника ФГБОУ ВПО «СибАДИ».(644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: [email protected])
Корытов Михаил Сергеевич (Россия, г. Омск) - доктор технических наук, профессор кафедры Автомобили, конструкционные материалы и технологии ФГБОУ ВПО «СибАДИ». (644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: [email protected])
Вольф Елена Олеговна (Россия, г. Омск) - аспирант кафедры Автоматизация производственных процессов и электротехника ФГБОУ ВПО «СибАДИ». (644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: wolf_eo@sibadi. org)
УДК 656.13.072
Scherbakov Vitaliy Sergeevich (Russian Federation, Omsk) - doctor of technical sciences, professor, the dean of the faculty "Oil, gas and construction equipment" of The Siberian automobile and highway academy (SIBADI). (644080, Omsk, 5 Mira st., e-mail: sherbakov_vs@sibadi. org)
Korytov Mikhail Sergeevich (Russian Federation, Omsk) - doctor of technical sciences, professor of the department "Automobiles, constructional materials and technologies of The Siberian automobile and highway academy (SIBADI). (644080, Omsk, 5 Mira st., e-mail: [email protected])
Volf Elena Olegovna (Russia, Omsk) - postgraduate student of the department "Automation of production processes and electrical engineering" of The Siberian automobile and highway academy (SIBADI). (644080, Omsk, 5 Mira st., e-mail: wolf_eo@sibadi. org)
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПЕРЕВОЗОК ПАССАЖИРОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ ПО РЕГУЛЯРНЫМ МАРШРУТАМ
Н. В. Якунина
ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», Россия, г. Оренбург
Аннотация. Статья посвящена повышению качества перевозок пассажиров по регулярным маршрутам. В ней приведены теоретические положения, используемые в методологии повышения качества транспортного процесса, реализованные в нормативно-правовых документах Оренбургской области, регламентирующих организацию деятельности пассажирского автомобильного транспорта.
Ключевые слова: качество, пассажирские перевозки, организационно-функциональная структура.
Введение
Результаты исследований качества перевозок пассажиров автомобильным транспортом по регулярным маршрутам свидетельствуют о его значительном несоответствии требованиям пассажиров. Теоретически обоснованное влияние организационно-функциональной структуры перевозчиков на показатели качества не может быть реализовано без эффективной методологии. В этой связи разработка методологических основ повышения качества перевозок пассажиров автомобильным транспортом по регулярным маршрутам является назревшей и актуальной [1, 2].
Положения для разработки методологии
Методология повышения качества перевозок пассажиров базируется на следующих положениях.
1. Повышение качества перевозок существует в конфликтной среде, вызванной противоположной направленностью интересов перевозчиков и пассажиров. Пассажиры имеют своей целью осуществление перевозок в соответствии с их представлениями о качест-
ве при минимальных затратах. Целью перевозчиков как хозяйствующих субъектов является извлечение прибыли, основное направление увеличения которой состоит в увеличении стоимости перевозок и уменьшении затрат на перевозки. Обеспечение требуемого качества является затратной частью бюджета перевозчиков и уменьшает величину получаемой прибыли. В этой связи перевозчики не имеют экономической заинтересованности повышать качество перевозок.
2. Перевозчики вынуждены нести затраты на обеспечение качества перевозок, но в минимальной части, достаточной для осуществления транспортного процесса.
3. Организационно-функциональная структура перевозчика должна обеспечивать выполнение функций, достаточных для выполнения требований к качеству перевозок, соответствовать требованиям внешней по отношению к перевозчику среды [3, 4, 5, 6].
4. Развитие регламентирования организационно-функциональной структуры перевозчиков, направленной на обеспечение требуемого
