CC BY
18
УДК 621.643-523 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-1-25-29
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ КООРДИНАТЫ ПОДВЕСА ГРУЗА РОБОТИЗИРОВАННОГО КРАНА-ТРУБОУКЛАДЧИКА
THE CONTROL SYSTEM OF COORDINATES OF SUSPENSION LOAD OF THE ROBOTIC CRANE-PIPELAYERS
© 2016 г. И.С. Шошиашвили, М.Э. Шошиашвили
Шошиашвили Ирина Сергеевна - канд. пед. наук, доцент, кафедра «Физика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, 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, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: shosh61@yandex.ru
Shoshiashvili Irina Sergeevna - Candidate of Pedagogical Sciences, assistant professor, department «Physics», 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 Hydropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: shosh61@yandex.ru
Рассмотрены вопросы создания системы регулирования нагружения трубоукладчиков, входящих в мехатронный трубоукладочный комплекс. В состав системы входят устройство контроля допустимого нагружения крана и подсистема, обеспечивающая регулирование координаты подвеса груза. Последнее достигается путем управления вектором нагружения с выходом на приводы грузовой и стреловой лебедок. Допустимое значение нагрузки рассчитывается на основе измерения углов наклона стрелы, грузового полиспаста и поперечного крена машины. Работа такой системы обеспечит регулирование нагрузки на крюке отдельной машины в пределах допустимого его значения по условиям устойчивости крана на местности.
Ключевые слова: роботизированный кран-трубоукладчик; система регулирования нагрузки на крюке трубоукладчика; координата подвеса груза; допустимая нагрузка.
The problems of establishing control system of loading pipe-layers included in mechatronic pipe lay complex. The system allows monitoring ofpermissible loading, and to adjust the coordinate of the load suspension. The latter is achieved by vector control with output to drive trucks and boom winches. Permissible load is calculated by measuring the angles of the boom, loading chain hoist and cross-roll machine. Employment of such a system provides control of loading on a pipe-layer hook individual machine within the permissible it's loading for stability conditions of the pipe-layer on the ground.
Keywords: robotic crane pipelayer; system of control of loading on a pipe-layer hook; coordinate of the load suspension; permissible load.
Рассмотренная в работах [1-4] структура и принципы построения мехатронного трубоукладочно-го комплекса предполагают обязательное наличие системы регулирования нагружения (СРН) отдельных трубоукладчиков, причем в состав такой системы должно входить устройство контроля допустимой нагрузки на крюке (УКДН) [5 - 8].
Установлена целесообразность построения такого устройства на основе непосредственного контроля за переменными параметрами крана, влияющими на его поперечную устойчивость и величину допустимой нагрузки. Факторами, существенно влияющими на изменение предельной по устойчивости загрузки трубоукладчиков, являются поперечный крен машины,
вылет стрелы и отклонение грузового полиспаста от вертикали, которое в зависимости от места трубоукладчика в колонне меняется в пределах +15°, что, в свою очередь, вызывает изменение допустимой нагрузки в 1,3 раза [7]. Функциональная зависимость Рдоп = /(а,Р,у) , где а, р, у - углы, соответствующие
наклону стрелы, отклонению грузового полиспаста и поперечному крену машины, должна удовлетворять таким требованиям, как простота ее реализации и возможность использования для построения устройств контроля допустимой нагрузки на крюке для различных конструкций трубоукладчиков, работающих в составе укладочной колонны [8].
На основании расчетной схемы (рис. 1) получена зависимость вида
Go (xo cos Y - Л sin y)+P (хк cos Y - Л sin y) = = Gc (n cos y + A sin y) + Gc d sin (a + y) +
+p[{(c+d) sina+nJcos(p - a)+|(c+d) cosa +hj sin(p - a)J,
(1)
где Р, Go, G;; и Рк - веса соответственно нагрузки на крюке, неизменяемой части трубоукладчика, грузовой стрелы с обоймой стрелового полиспаста и контргруза со стрелой, приведенные к центрам масс соответствующих элементов.
Левая часть уравнения (1) представляет собой сумму моментов удерживающей части трубоукладчика, а правая - опрокидывающей. Предполагая, что нагрузка на крюке Р имеет величину допустимой нагрузки Рдоп, выразим ее из уравнения (1):
=
(G0Хр + ркхк -Gcw)cOSy-(G0Уо + РкУк + Gc^)sinY _ {(с+d) sina+wj cos(p _ a) +{(c+d) cosa+hj sin(p _ a)
Gc d sin (a + y)
|(c + d )sin a + wJcos(p _ a) + |(c + d )cos a + hjsin(p _ a)
(2)
Использование зависимости (2) в качестве алгоритма для реализации УКДН связано с определенными трудностями (в основном из-за наличия семи функциональных элементов). Декомпозиция и анализ последнего выражения позволили получить упрощенный алгоритм:
Рдоп =[0,996(Gp Хр + Рк Хк _ Gc w)_y(Gp Уо + PK Ук + Gc h)_
Ч-1Г /_ / _ ч\"1_1
+
где
-Gcdsin(a + y)][tsin(p±(fcba + Po))]" , (3) t = ^(c + d)2 + (n2 + h2)-2(c + d)V n2 + h2 cos9 ,
h
Ф = 270 - a - arctg—, причем для угла а, изменяюще-
n
гося от 0 до 60 °, можно принять t = const; коэффициенты kb и Р0 определяются путем аппроксимации
зависимости у = arccos
(c + d )2 +12-(n2 + h2) 2t (c + d)
линеи-
ной функцией вида у = ^ а + Р0. В знаменателе выражения (3) знак «+» ставится при а<акр и знак «-» при а>акр, где акр - некоторый критический угол,
о h
определяемый выражением а = 90о - агС^—.
п
Полученное выражение (3) учитывает все основные параметры состояния трубоукладчика, имеет всего два функциональных элемента и применимо к различным типам гусеничных трубоукладчиков. Кроме того, полученный алгоритм позволяет учитывать два конечных положения контргруза путем изменения значений величин хк и ук [9].
Для оценки точности полученного алгоритма и определения составляющей методической погрешности УКДН был проведен расчет на ЭВМ зависимости Рдоп = / (а,Р, у) по выражениям (2) и (3) при различных величинах а, Р и у для крана-трубоукладчика типа ТГ-503. Расчеты показали, что относительная погрешность в рабочей зоне, ограниченной углом наклона стрелы а и 55°, не превышает 1,0 % [8].
Рассматривая принципы построения СРН с УКДН, следует отметить требование поддержания не только самой нагрузки на крюке роботизированного трубоукладчика [10], но, в большей степени, и определенной координаты подвеса трубопровода (особенно вертикальной ее составляющей). Такое требование, диктуемое не только необходимостью равномерной загрузки трубоукладчика, но и условиями ограниченной изгибной прочности трубопровода, не может быть выполнено путем стабилизации только усилия в грузовом канате, так как зависит от ряда переменных параметров. Поэтому остановимся на рассмотрении общего метода определения и стабилизации координаты подвеса трубоукладчика [11, 12].
Положение трубопровода в пространстве определяется как самой величиной нагрузки на крюке, так и направлением ее приложения, зависящим от положения грузового полиспаста. Последнее в процессе движения трубоукладчика изменяется в определенных пределах, что, несомненно, приводит к смещению трубопровода в горизонтальной плоскости.
Рис. 1. Расчетная схема трубоукладчика
В общем же случае положение трубопровода зависит от многих факторов. Снизить их влияние можно за счет ослабления влияния поперечного крена трубоукладчика и, в определенных пределах, за счет изменения расстояния от трубоукладчика до траншеи. Все это может быть достигнуто путем стабилизации вектора усилия в грузовом канате трубоукладчика, определяемого его составляющими (рис. 2):
РВ = PcosAß; РГ = PsinAß,
(4)
где РВ, РГ - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие вектора усилия Р в грузовом канате; Др - отклонение грузового каната от вертикали, определяемое через углы а, р и у как
Aß=ß-y-a.
Из выражения (4) видно, что стабилизировать вектор усилия можно путем стабилизации усилия в грузовом канате Р и угла Др, а достичь стабилизации
угла Aß можно за счет изменения угла a наклона стрелы.
Таким образом, в систему регулирования нагружения должны входить контур регулирования положения стрелы и контур регулирования нагрузки, причем требуемое значение нагрузки определяется системой верхнего уровня [1], передается на вход СРН через сопрягающее устройство и может быть ограничено устройством контроля допустимой нагрузки.
Общая структура СРН показана на рис. 3. Сигналы от датчиков углов a, ß, у поступают на УКДН, где происходит определение допустимой нагрузки Рдоп в соответствии с выражением (3). Кроме того, в УКДН от задающего блока, расположенного в кабине машиниста-оператора, вводится коэффициент устойчивости ^ст < 1, обеспечивающий маневренность трубоуклад-
(5)
чика. Для каждого трубоукладчика колонны величина ^ст может быть различная. Информация о допустимой нагрузке с учетом коэффициента устойчивости ^стРдоп подается с выхода УКДН на блок логического сравнения БЛС.
Рис. 2. Схема определения координат подвеса трубопровода
Рис. 3. Функциональная схема САР нагружения трубоукладчика
Последний сравнивает нагрузку Рзад, задаваемую системой верхнего уровня, с допустимым и максимальным значениями. При этом максимальная величина нагрузки Ртах определяется предельной грузоподъемностью трубоукладчика и устанавливается с задающего блока. Выходной сигнал БЛС Ррег формируется на основе следующего логического выражения:
kуст Pmax, если Рдоп - Pmax;
где АРср - параметр срабатывания реле, а элемент «И» реализует зависимость
P =
рег
(1, если ДР >ДРср;
U
прив
(ирег , еслииупр =1;
|0,еслии упр = 0,
kуст Рдоп, если kустРдоп < Рзад < ^устPmax ;
Рзад , если Рзад - ^уст Рдоп < ^уст Pmax .
Сформированное БЛС регулирующее воздействие Ррег подается на элемент сравнения, где оно сравнивается с действительной нагрузкой Р, снимаемой с датчика нагрузки. На релейный элемент 1 поступает рассогласование сигналов АРрег = Ррег - Р . В зависимости
от величины АРрег, а также зоны нечувствительности АР* релейный элемент 1 подает сигнал на исполнительный механизм привода грузовой лебедки (рис. 3).
В состав системы входит блок аварийной защиты, который в случае превышения предельно допустимого значения нагрузки производит экстренное опускание (сброс) груза путем воздействия на муфту аварийного сброса груза. Данный блок формирует выходной сигнал в случае, если Р > kав Рдоп в течение
некоторого времени ткр, где kав >1 - коэффициент, характеризующий допустимую степень перегрузки трубоукладчика.
Описанные выше элементы СРН стабилизируют усилие Ррег. Стабилизацию второй составляющей вектора усилия - угла Ар выполняют остальные элементы системы. При этом второй сумматор реализует зависимость (5), а третий элемент сравнения определяет рассогласование между заданным Арзад и текущим Ар значениями. Величина сигнала рассогласования поступает на релейный элемент, который подает управляющий сигнал на исполнительный механизм привода стреловой лебедки через логический элемент «И». Элемент «И» пропускает сигнал от релейного элемента, если Рзад < ^ст Рдоп, и отключает привод стрелы, если Рзад > ^,стРдоп. Сравнение сигналов Рзад и ^апрдоп выполняет элемент сравнения 4, а выдачу управляющего сигнала, равного 1 или 0 в зависимости от величины АР = Рдоп - Рзад и необходимого для пропускания управляющего сигнала через элемент «И», осуществляется релейным элементом 3. Таким образом, этот элемент реализует зависимость
где ирег - выходной сигнал релейного элемента 2.
Наличие в системе элемента сравнения 4, реле 3 и элемента «И» объясняется недопустимостью снижения величины допустимой нагрузки Рдоп ниже заданного ее значения Рзад за счет стабилизации угла Ар.
Особенностью рассмотренной СРН является то, что она может работать в качестве одной из подсистем общей системы управления роботизированным трубоукладчиком, а также в автономном режиме. В любом случае, использование такой системы на кранах-трубоукладчиках позволит повысить безопасность проведения укладочных и монтажных работ при строительстве трубопроводов.
U=
упр
10, если ДР <ДР_.
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. Загороднюк В.Т., Шошиашвили М.Э. Основные направления автоматизации изоляционно-укладочных работ / Новочерасский. политехн. ин-т. Новочеркасск, 1990. 11 с. - Деп. во ВНИИЭгазпром 27.06.90, №2149-гз90. Аннот. в БУ ВИНИТИ «Деп. науч. работы». 1990. № 12. С. 106.
3. Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С. Мехатронные комплексы для строительства и ремонта магистральных трубопроводов. Алгоритмизация и моделирование // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 4. С. 3 - 8.
4. Шошиашвили М.Э. Алгоритмизация управления изоляционно-укладочной колонной // Изв. вузов. Электромеханика. 1999. № 4. С. 93 - 96.
5. Шошиашвили М.Э. Контроль и управление нагружением трубоукладочного комплекса // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2000. № 2. С. 20 - 24.
6. Щербаков В.С., Корытов М.С., Шабалин А.Н. Направления развития теории безопасности рабочего процесса комплекта грузоподъемных машин трубоукладочной колонны // Изв. Томского политехн. ун-та. 2014. № 2. Т. 325. С. 50 - 57.
7. Раац В.Ф. Повышение грузовой устойчивости трубоукладчиков // Гидропривод и системы управления строительных и дорожных машин. Омск: ОмПИ, 1987. С. 62 - 66.
8. Паршин Д.Я., Шошиашвили М.Э. Автоматический контроль устойчивости кранов-трубоукладчиков // Строительные и дорожные машины. 1990. № 10. С. 16 - 18.
9. А.с. 1533990 СССР. МКИ В66С 15/00. Устройство для автоматического регулирования нагрузки крана-трубо-
укладчика / М.Э. Шошиашвили, Д.Я. Паршин, Г.Г. Гу-диков // БИ. 1990. № 1.
10. Шошиашвили М.Э., Водяник Г.М. Кинематическая модель автоматизированного крана-трубоукладчика // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2000. № 2. С. 34 - 35.
11. Паршин Д.Я., Шошиашвили М.Э. Система регулирова-
ния нагрузки на кран-трубоукладчик // Строительство трубопроводов. 1990. № 7. С. 42 - 44.
12. А.с. 1791345 СССР. МКИ В66С 13/22. Устройство для управления приводами груза и стрелы крана-трубоукладчика / М.Э. Шошиашвили, Г.Г. Гудиков, Д.Я. Паршин // БИ. 1993. № 4.
References
1. Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S. Mekhatronnye kompleksy dlya stroitel'stva i remonta magistral'nykh truboprovodov. Print-sipy postroeniya [Mechatronics complexes for building and repair of the main pipelines. Principles of construction. Proceedings of the higher educational institutions]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki, 2013, no. 6, pp. 90-94. [In Russ.]
2. Zagorodnyuk V.T., Shoshiashvili M.E. Osnovnye napravleniya avtomatizatsii izolyatsionno-ukladochnykh rabot [The main directions of automation insulating-laying work]. Novocherkassk, Dep. vo VNIIEgazprom, 1990, no. 12, pp.106.
3. Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S. Mekhatronnye kompleksy dlya stroitel'stva i remonta magistral'nykh truboprovodov. Algo-ritmizatsiya i modelirovanie [Mechatronics complexes for building and repair of the main pipelines. Algorithmization and modelling. Proceedings of the higher educational institutions]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki, 2014, no. 4, pp. 3-8. [In Russ.]
4. Shoshiashvili M.E. Algoritmizatsiya upravleniya izolyatsionno-ukladochnoi kolonnoi [Algorithmization control insulation-laying column]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 1999, no. 4, pp. 93-96. [In Russ].
5. Shoshiashvili M.E. Kontrol' i upravlenie nagruzheniem truboukladochnogo kompleksa [Control and regulation of the lay of the pipe lay complex]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki, 2000, no. 2, pp. 20-24. [In Russ.]
6. Shcherbakov V.S., Korytov M.S., Shabalin A.N. Napravleniya razvitiya teorii bezopasnosti rabochego protsessa komplekta gruzopod"emnykh mashin truboukladochnoi kolonny [Areas of development of the theory of security workflow sets of lifting machines pipe-laying column]. Izv. Tomskogopolitekhn. un-ta, 2014, part 325, no. 2, pp. 50-57. [In Russ.]
7. Raats V.F. Povyshenie gruzovoi ustoichivosti truboukladchikov [Improving of the loading sustainability of pipelayers]. Gidro-privod i sistemy upravleniya stroitel'nykh i dorozhnykh mashin, 1987, pp. 62-66.
8. Parshin D.Ya., Shoshiashvili M.E. Avtomaticheskii kontrol' ustoichivosti kranov-truboukladchikov [Automatic Control stability of the cranes pipelayers]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 1990, no. 10, pp. 16-18. [In Russ.]
9. Shoshiashvili M.E., Parshin D.Ya., Gudikov G.G. Ustroistvo dlya avtomaticheskogo regulirovaniya nagruzki krana-truboukladchika [Device for automatically controlling the load crane pipelayer]. A.s. USSR, no. 1533990, 1990.
10. Shoshiashvili M.E., Vodyanik G.M. Kinematicheskaya model' avtomatizirovannogo krana-truboukladchika [The kinematic model of the automated crane pipelayer]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki, 2000, no. 2, pp. 34-35. [In Russ.]
11. Parshin D.Ya., Shoshiashvili M.E. Sistema regulirovaniya nagruzki na kran-truboukladchik [System load regulation on the crane pipe-laying]. Stroitel'stvo truboprovodov, 1990, no. 7, pp. 42-44. [In Russ.]
12. Shoshiashvili M.E., Gudikov G.G., Parshin D.Ya. Ustroistvo dlya upravleniyaprivodami gruza i strely krana-truboukladchika [Device for control of the drives of the load and arrows the crane pipe-laying]. A.S. USSR, no. 1791345, 1993.
Поступила в редакцию 24 декабря 2015 г.
