МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КРАНОМ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ГРУЗА

Одной из основных проблем эксплуатации мостовых кранов на производстве является проблема раскачивания груза при его транспортировке.  Оно может возникать как при начале движения и остановке, так и в процессе движения. Точка подвеса приходит в движении сразу, вместе с тележкой или мостом. Груз, обладая собственной массой и соответственно, моментом инерции ускоряется вслед за тележкой или мостом с запаздыванием, что приводит к его колебаниям в плоскости движения тележки или моста.

При эксплуатации мостового крана около 20% времени полного цикла транспортировки груза уходит на ожидание прекращения колебаний груза [2]. Для минимизации этих потерь без какой-либо автоматической системы подавления колебаний подходит только наличие опытного крановщика, который точными движениями сводит раскачивание груза к минимальным значениям.Колебания груза также оказывают дополнительную негативную динамическую нагрузку на электроприводы и металлические конструкции крана, снижая их ресурс.

Таким образом, проблема раскачивания груза является весьма актуальной и разноплановой, к тому же – не имеющей однозначно простого и эффективного решения. Безусловно, на рынке имеется большое количество решений этой задачи от зарубежных фирм, но в большинстве своем они имеют свои недостатки, такие как высокая стоимость оборудования его установки, наладки и эксплуатации, низкая надежность таких устройств в условиях эксплуатации в пыльных и загрязненных цехах производства, необходимость привлечения обученного и квалифицированного персонала.

Для решения проблемы раскачивания груза путем модернизации управления электроприводами мостового крана необходимо разделить ее на две основные задачи: снятие необходимых данных о системе и выработка корректирующего сигнала управления, поступающего на электропривод от системы управления. Для разработки подобной системы предлагаю построить математическую модель технологического процесса по типу системы  «груз-подвес», которая по сути является маятниковой с точкой подвеса, движущейся со скоростью  и ускорением  (рисунок 1) [3].

Рисунок 1. Схематичное изображение маятниковой колебательной системы «точка подвеса-груз»

Сила тяжести mg и добавочная сила, которой эквивалентно движение точки подвеса, направлены друг другу под прямым углом. Их результирующая сила будет отклонена от вертикали в сторону, обратную ускорению точки подвеса a, под углом . Угол отклонения от вертикали  определяется из отношения:

Период колебаний T вычисляется по формуле:

Таким образом, можно сделать вывод: при неподвижности точки подвеса или ее равномерном движении, подвешенный груз совершать колебания не будет.

Если рассматривать мостовой кран с этой точки зрения, то анализируя его работу и динамические процессы, можно сказать, когда именно будет возникать проблема раскачивания груза – во время возникновения ускорения точки подвеса [5].

В других случаях, когда кран разогнался и движется с постоянной скоростью, качающая сила не будет действовать на груз, и он либо не будет колебаться, оставаясь постоянно отклоненным от вертикали, либо будет совершать остаточные колебания от предыдущей фазы движения, когда точка подвеса двигалась с ускорением [4].

Если рассматривать проблему раскачивания груза как проблему маятника с движущимся подвесом, то простейшим решением является вырабатывание корректирующего сигнала, учитывающего раскачивание груза при возникновении ускорения точки подвеса. Следовательно, чтобы снизить колебания груза, необходимо снизить ускорение тележки либо моста.       

Построим математическую модель тележки мостового крана и перемещаемого им груза.

Механическую систему, изображенную на рисунке 1, описывает следующая система уравнений, записанная в операторной форме ( - масса тележки и масса груза соответственно,  - длина подвеса,  – результирующая сила, приводящая тележку в движение,  - угол отклонения груза [1]:

Найдем соотношение  из первого уравнения системы:

где  - передаточная функция, характеризующая отклонение груза, зависящее от ускорения, развиваемого тележкой.

На основании полученных уравнений построим математическую модель, представляющую собой разомкнутую систему. На вход модели подаем воздействие, соответствующее силе, движущей тележку , а на выходе получаем угол отклонения груза . Переменными данной модели будем считать массу груза  и длину подвеса .

На Рисунке 2 представлена функциональная схема нашего объекта управления – системы груз-подвес, где передаточные звенья:

 Звено  преобразует воздействующую на тележку силу  в ускорение тележки .

Звено  моделирует сам объект наблюдения – груз, и представляет собой колебательное звено. Оно преобразует ускорение тележки  в линейное перемещение груза относительно вертикальной оси .

Звено  выполняет аналитическую функцию наглядного преобразования линейного перемещения груза относительно вертикальной оси  в угол отклонения груза от вертикальной оси .

Рисунок 2. Структурная схема системы груз-подвес

Список литературы:

1. Галдин Н.С. Кубацкая О.В. Еремина С.В. Влияние основных параметров механизмов мостового крана на его производительность // Вестник Сибирской Государственной автомобильно-дорожной академии – 2015. - № 4(44). С. 15-18.
2. Масандилов Л.Б. Электропривод подъемных кранов. Учебное пособие - М: Издательство МЭИ, 1998 - 82с.
3. Нуриахметов Р.М., Новиков В.А., Белов М.П. Система управления движением механизмов крана с предотвращением раскачивания груза // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2015. - №10. С. 56-62.
4. Щедринов А.В., Сериков С.А., Колмыков В.В. Автоматическая система успокоения колебаний груза для мостового крана // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика - 2007. - №8. С. 13-17.
5. Щербаков В.С., Корытов М.С., Шершнева Е.О. Исследование показателей маятниковых колебаний груза, перемещаемого мостовым краном с релейным приводом / А.В. Щедринов, С.А. Сериков, В.В. Колмыков // Вестник СибАДИ,  – 2015. – № 6 (46). – С. 50-57.