Full Text

Краноманипуляторные установки находят широкое применение в современной технике. Грузовики, оснащенные кран-бортами, оказались очень удобным и эффективным средством транспортировки различных грузов. Также краноманипуляторные установки используются в лесозаготовительной отрасли, в составе транспортно-заряжающих машин - в военной технике и других областях, где необходимо производить погрузку и разгрузку в стесненных и нестандартных условиях. Однако достаточно удобные и эффективные устройства, такие как краноманипуляторные установки, не лишены определенных недостатков [1, 2]: - раскачивание подвешенного на крюке груза; - рывки троса при резком начале подъема или опускании подвешенного на крюке груза; - вибрации стрелы и других механизмов крана; - часто отсутствие возможности соблюдения требований по скорости при медленном движении крюка. Последний недостаток не является проблемой всех крано-манипуляторных установок, однако существуют устройства, где он проявляется в полную силу. Например, рассмотренный в работе [3] роботизированный перегрузочный комплекс (РПК) в настоящее время не имеет возможности опускания крюка без подвешенного груза со скоростью менее 1 м/мин. Ниже анализируются известные подходы к решению перечисленных проблем. Существующие способы решения проблемы раскачивания груза. Основной из проблем подъемных устройств является проблема раскачивания груза. Раскачивание груза приводит к повышению нагрузки на элементы краноманипуляторной установки, а также в необходимости осуществления процесса погрузки четырьмя стропальщиками [1]. Также из-за раскачивания груза (а в случае погрузки достаточно длинных грузов, таких как трубы или снаряды, и поворота) увеличивается время погрузки и разгрузки. Например, для мостового крана на ожидание завершения раскачивания груза уходит до 20 % времени [4]. На сегодняшний день данная проблема частично решается путем повышения квалификации операторов краноманипуляторных установок. В частности, для таких целей используются тренажеры, аналогичные комплексу, описанному в работах [5-7]. Другой путь - разработка новых концепций погрузочных устройств, например, разработанная авторами работы [1] система транспортно-заряжающей машины с двумя краноманипуляторными установками, которая позволяет минимизировать раскачивание и поворот снаряда или другого длинного груза. В работах [8-10] предлагается разработка краноманипуляторной установки, более стойкой к повышению напряжения при подъеме и раскачивании груза. Оба предложенных подхода могут быть эффективно использованы при разработке новых изделий, однако при модернизации старых краноманипуляторных установок такие подходы могут оказаться неприменимы. Перспективным вариантом гашения раскачивания груза, эффективно примененным в мостовых кранах, является модернизация системы управления. Данный подход позволяет снизить амплитуду раскачивания груза и увеличить коэффициент затухания при сохранении конструкции крана. Одним из решений такого типа является введение системы обратной связи по положению поднимаемого груза [11]. Положение груза фиксируется видеокамерой и передается в систему управления в качестве сигнала обратной связи. Недостатком такого решения, указанным в работе [12], является сложность управляющей системы, а также снижение надежности датчика обратной связи при работе в запыленных помещениях, что для мостовых кранов, используемых в промышленности, критично. В случае работы такого датчика в краноманипуляторных установках заряжающих машин также невозможно гарантировать хорошую работу датчика в условиях плохой видимости. Авторами работы [12] предлагается система, в которой в качестве обратной связи используются датчик скорости вращения электродвигателя привода лебедки и датчик тока, потребляемого этим электродвигателем. Структура данной системы показана на рис. 1. Рис. 1. Структура системы управления электроприводом мостового крана, уменьшающая раскачивание груза В работе [13] в качестве параметров обратной связи предлагается использовать массу подвешенного груза, измеряемую датчиком натяжения троса, и длину подвеса. Структура такой системы показана на рис. 2. Рис. 2. Структура схемы управления электроприводом мостового крана, использующей в качестве параметров обратной связи массу груза и длину подвеса; ln - данные о длине подвеса перемещаемого груза, mr - данные о массе перемещаемого груза Во всех элементах привода мостового крана используются электродвигатели, что позволяет достаточно легко и эффективно внедрить электронную систему управления. В большинстве краноманипуляторных установок применены механические гидрораспределители, не имеющие функций электронного управления. Однако в краноманипуляторной установке РПК, рассмотренной в [3], применены пропорциональные гидрораспределители с возможностью электронного управления. Это позволит внедрить микропроцессорную управляющую систему. Но в ходе модернизации понадобится установить датчик натяжения троса, а также его наклона и длины. Существующие варианты решения проблемы натяжения и рывков троса. Около 80 % поломок крановых механизмов происходят в результате действий динамических нагрузок на их элементы [2], возникающих в результате изменения нагрузок приводов крановых механизмов, и проявляются в виде переходных процессов в их механических подсистемах. В частности, одним из элементов, испытывающим динамические нагрузки, является подъемный трос. Проблема рывков троса так же в системе мостового крана была рассмотрена в работе [2]. Решение проблемы тоже опиралось на наличие электронной системы управления. Автор предлагал ввести дополнительный регулятор с передаточной функцией: , где - момент инерции подвешенного груза, и - настраиваемые параметры регулятора. Структура такого регулятора приведена на рис. 3. Рис. 3. Система управления электродвигателем подъема крюка мостового крана, снижающая динамические нагрузки; РС - регулятор скорости перемещения крюка, РУМ - регулятор упругого момента, БИМ - электрическая подсистема электропривода, которая в работе [2] рассматривается как безынерционный источник момента, остальные элементы - передаточные функции, описывающие поведение лебедки, троса, а также подвешенного груза соответственно Существующие способы решения проблемы вибрации элементов конструкции краноманипуляторной установки. Проблема вибрации элементов конструкции гидравлических систем является достаточно частым явлением. Высокий уровень вибрации также приводит к росту нагрузки на элементы конструкции, дрожанию троса краноманипуляторной установки и другим негативным последствиям [3, 14-16]. Также негативные эффекты от вибрации гидравлических систем наблюдаются и в других отраслях техники, например, в испытательных стендах [17], трубопроводах [18] и других системах. В качестве метода подавления вибраций в данных работах, а также в работе [19] предлагается использование демпфера - элемента, снижающего пульсации рабочей жидкости, отводя излишки посредством клапана высокого давления. Данный узел согласно публикациям [17-19] позволил существенно снизить уровень вибрации, но внедренный в систему управления краноманипуляторной установкой РПК демпфер дал только частичное снижение вибраций. При складывании выносной стрелы в походное положение уровень вибраций элементов краноманипуляторной установки продолжал превышать допустимые нормы. Работа гидравлической лебедки на малой скорости. Для перемещения крюка с подвешенным грузом в краноманипуляторной установке РПК была применена лебедка TMA TN-04 [20]. Основным недостатком системы является использование данной лебедки в нештатном режиме, в котором при скорости ниже 1 м/мин невозможно добиться опускания пустого крюка. Применяя методы механического управления, а также используя простую систему электронного управления, невозможно добиться перемещения крюка с такой малой скоростью. Однако введение микропроцессорной системы управления дает возможность реализовать такие функции, как программный ПИД-регулятор, дающий возможность начального перерегулирования с целью преодоления инерции покоя крюка. В дальнейшем скорость будет снижена до необходимого для перемещения крюка значения. Также положительную роль сыграет введение датчика натяжения троса, который позволит определять массу подвешенного груза и тем самым регулировать скорость вращения лебедки. Введение такого датчика даст возможность добиться одинаковой скорости перемещения груза вне зависимости от его массы и направления перемещения. Концепция микропроцессорной системы управления крано-манипуляторной установкой. Одним из перспективных направлений модернизации краноманипуляторной установки является внедрение микропроцессорной системы управления. Данная система в сочетании с рядом датчиков позволит реализовать алгоритмы управления, увеличивающие коэффициент затухания колебаний подвешенного груза, снизить рывки троса, вибрации элементов краноманипуляторной установки, а также реализовать режим перемещения крюка со скоростью менее 1 м/мин. Наиболее ранняя концепция системы управления была представлена в работе [21]. В дальнейшем в систему вносились определенные изменения, и итоговая структура системы приведена на рис. 4. Основой системы управления краноманипуляторной установкой является однокристальный микроконтроллер, который с помощью управляющей программы осуществляет считывание значений с органов управления, анализ полученных данных, формирование управляющих напряжений для гидрораспределителей с учетом значений обратной связи. Также имеются аппаратные средства подключения цифровых гидрораспределителей с интерфейсом CAN, средства подключения беспроводного пульта управления посредством интерфейса Bluetooth, ведения журнала работы и сохранения настроек. Рис. 4. Система управления краноманипуляторной установкой РПК Более перспективным подходом является широкое внедрение цифровых интерфейсов в систему управления краноманипуляторной установкой. Однако это потребует значительной переработки всей системы управления стрелой: - замены пульта управления с аналоговым выходом 4..20 мА на цифровой с выходом CAN; - замены гидрораспределителей с аналоговым входом [22, 23] на гидрораспределители, управляемые посредством интерфейса CAN; - также желательно применение датчика натяжения троса и вибрации с интерфейсом CAN либо дополнение существующих датчиков микроконтроллерами, осуществляющими измерение и передачу данных посредством интерфейса CAN. Структура подобной системы показана на рис. 5. Ввиду больших изменений, которые коснутся не только электронной системы управления, но и разводки кабелей в крано-манипуляторной установке, внедрение такой системы управления на существующих установках будет трудной задачей, поэтому такая система может быть предложена для перспективных разработок, как и рекомендации авторов работ [1, 8-10]. Гидрораспределители Рис. 5. Структура системы управления краноманипуляторной установкой с использованием цифрового коммуникационного интерфейса CAN Ограничения по внедрению микропроцессорной системы управления на краноманипуляторных установках, отличных от КМУ РПК. Концепции модернизированной системы управления краноманипуляторной установкой роботизированного перегрузочного комплекса всецело исходят из особенностей, заложенных в сам РПК: - наличие пропорциональных гидрораспределителей с возможностью электронного управления, позволяющих реализовывать плавное нарастание и снижение скорости перемещения элементов стрелы и опор; - разделенность органов управления стрелой, что делает не очень удобной процедуру управления краноманипуляторной установкой посредством рычагов, установленных на гидрораспределителях; - наличие пульта дистанционного управления; - наличие коммутационного блока, осуществляющего преобразование сигналов с датчиков положения рукояток пульта дистанционного управления в управляющие напряжения для гидрораспределителей (в корпусе данного блока возможно смонтировать микропроцессорную систему управления). Большинство краноманипуляторных установок имеют централизованное расположение гидрораспределителей, а значит, и органов механического управления элементами стрелы и опорами. Поэтому отпадает необходимость в дистанционном пульте управления - все органы управления уже сосредоточены в одном месте. Примером таких установок являются транспортно-заряжающие машины 9Т452, 9Т324, 9Т324-4. Кроме того, не на всех краноманипуляторных установках используются пропорциональные гидрораспределители и блоки электронного управления. Например, в транспортно-заряжающих машинах 9Т324 используются дискретные гидрораспределители, имеющие только три положения: нейтральное, движение вверх или вперед, движение вниз или назад. Плавное регулирование осуществляется с помощью отдельного дросселя, который регулирует скорость перемещения всех элементов стрелы краноманипуляторной установки. Поэтому для подобных систем подходы к модернизации будут существенно отличаться от предлагаемого в настоящей статье.

About the authors

V. V Kiselev

Perm National Research Polytechnic University

V. D Volodin

Perm National Research Polytechnic University

A. A Sharonov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 30

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.