Согласно техническому описанию и инструкции по эксплуатации крана КС - 4561А, все соединения и опоры лебедки одинаковы с грузовой лебедкой. Кс - 4561а автокниги мануалы скачать руководство по! т монтируют на шасси Техническое. По и эксплуатации Машиностроение, производители. Описания и технические характеристики автомобильных кранов Серия КС описания и технические характеристики кранов на специальных шасси.
автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05. 13. 06, диссертация на тему: Автоматизированная система ограничения массы поднимаемого груза стреловых грузоподъемных кранов. Автореферат диссертации по теме "Автоматизированная система ограничения массы поднимаемого груза стреловых грузоподъемных кранов". На правах рукописи. КОРОВИН Константин Владимирович. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ МАССЫ ПОДНИМАЕМОГО ГРУЗА СТРЕЛОВЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ.
Челябинск-2009. Работа выполнена на кафедре «Электротехника» Южно-Уральского государственного университета. Научный руководитель: доктор технических наук. профессор Г. Волович. Официальные оппоненты:.
доктор технических наук, профессор Л. Казаринов;.
Согласно техническому описанию и инструкции по эксплуатации крана КС - 4561А, все соединения и опоры лебедки одинаковы с грузовой лебедкой.
Ворончихин Г.И. Инструкция по эксплуатации портальных кранов Кондор постройки 1974-1984 гг DJVU. М.: В/О привода лебедок, влияющим на технические характеристики кранов. Краны автомобильные КС - 4561 и КС - 4561А. Настоящее руководство по эксплуатации содержит основные сведения по и хранения крана, а также технические характеристики и другие сведения, ЕК-18, автокранов К-162, КС-4562, КС-3571, КС-3577, КС - 4561, КС-5363. Руководство по эксплуатации и техническое описание автомобильного стрелового крана на шасси КрАЗ с электрическим приводом рабочего органа.
кандидат тершических наук, доцент А£. Знаев.
Ведущая организация: ООО «Головное специализированное. конструкторское бюро ЧТЗ» (г. Челябинск). Защита диссертации состоится 25 февраля 2010 г. в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.
298. 03 при ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» по адресу: 454080, г.
Челябинск, пр. Ленина, д. 76, зал заседаний диссертационного совета (ауд. 1001). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета. Автореферат разослан « января 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических н^к, профессор.
А. Г. Щипицын.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность работы.
Технология выполнения погрузочно-разгрузочных, строительно-монтажных и аварийно-спасательных работ предусматривает широкое применение мобильных стреловых грузоподъемных кранов на автомобильном, пневмоколесном и специальном шасси. Нормативными требованиями по промышленной безопасности, для предотвращения опрокидывания крана или разрушения элементов его конструкций из-за перегрузки при подъеме груза, предусмотрено обязательное оснащение кранов автоматизированными системами ограничения нагрузки, отключающими механизмы подъема груза и изменения вылета в случаях подъема груза, масса которого превышает грузоподъемность крана на данном вылете более чем на 10%. Технологический процесс настройки системы ограничения нагрузки крана в процессе изготовления грузоподъемного крана, а также периодически в процессе его эксплуатации через относительно небольшие интервалы времени, является трудоемким и сопряжен с существенными затратами. Повышенная трудоемкость операций поиска настроечных коэффициентов и их ввода в систему ограничения массы поднимаемого груза на стреловых кранах с жесткой подвеской стрелового оборудования обусловлена необходимостью учета деформации стрелы под нагрузкой. Это требует увеличения числа точек грузовой характеристики крана, в которых производится настройка системы, и применения контрольных грузов с массой, близкой к максимальной грузоподъемности крана.
Необходимость перегона крана на испытательный полигон и использования грузов известной массы для традиционно применяющейся ручной настройки и проверки системы является существенным недостатком существующих систем ограничения нагрузки. Снижение трудоемкости технологического процесса настройки или исключение каких-либо операций регулирования системы ограничения нагрузки на кране является сложнейшей задачей, полное решение которой на сегодняшний день отсутствует. Вопросам настройки систем ограничения нагрузки посвящены работы ученых В. Тазлова, Н. Озорнина, Д.
Маша, X. Киминкинена, О.
Вехно, Ю. Ма-самичи и др.
Однако основное внимание в этих работах уделено вопросам повышения точности настройки систем ограничения массы поднимаемого груза с целью исключения неоправданного снижения грузоподъемности крана. Задачи снижения трудоемкости процесса настройки в этих работах либо не рассматриваются, либо затрагиваются лишь в плане постановки задачи. Научных работ по вопросам.
автоматизации процесса настройки систем ограничения нагрузки в настоящее время не существует. Таким образом, исследование автоматизированных систем защиты грузоподъемных кранов в плане улучшения их эксплуатационных характеристик путем автоматизации процесса их настройки в процессе производства и эксплуатации грузоподъемных кранов является актуальной научно-технической задачей. Объектом исследования являются стреловые грузоподъемные краны на автомобильном или пневмоколесном шасси. Предметом исследования являются автоматизированные системы ограничения массы поднимаемого груза. Целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы ограничения массы поднимаемого груза исключающей применение контрольных грузов при ее настройке.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:. 1. Оценка возможности выполнения поиска настроечных данных системы ограничения нагрузки без вмешательства оператора. 2. Разработка алгоритма настройки системы ограничения массы поднимаемого груза без использования контрольных грузов. 3.
Разработка способа измерения вылета с учетом деформации стрелы. 4. Разработка и практическая реализация автоматизированной системы ограничения массы поднимаемого 1руза, реализующей предложенные методы и алгоритмы ее настройки. Методика исследования. В работе использовались методы теории автоматического управления, факторного анализа, оптимизации и цифрового моделирования на ЭВМ. Источником экспериментальных данных явились результаты натурных обследований автомобильных кранов КС-45721, МКТ-25, КС-55730 и др. Научная новизна работы.
В ходе исследования были получены следующие научные результаты:. 1) построена факторная модель технологического процесса настройки систем ограничения массы поднимаемого груза;. 2) алгоритм поиска настроечных коэффициентов каналов измерения массы груза и вылета без участия оператора и без использования контрольных грузов;. 3) алгоритм автоматического определения в процессе работы крана интервалов времени, в которых должна осуществляться настройка;. 4) алгоритмы измерения нагрузочных параметров грузоподъемных кранов.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы подтверждена патентами на изобретения, полученными на соответствующие технические решения. Практическое значение работы заключается в снижении трудоемкости и повышении точности настройки системы ограничения нагрузки без контрольных грузов, обеспечение возможности контроля точности работы и правильности настройки системы непосредственно в процессе эксплуатации крана, в снижении затрат на эксплуатационное сопровождение систем защиты и повышении безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов. Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием математических моделей в расчетах статических и динамических процессов, удовлетворительным совпадением теоретических результатов с экспериментальными, полученными при проведении приемочных, периодических и сертификационных испытаний систем ограничения грузоподъемности, реализующих предложенные методы и алгоритмы настройки на грузоподъемных кранах различных моделей. Реализация результатов работы.
Научные результаты диссертационной работы в части структуры системы ограничения нагрузки и алгоритмов функционирования реализованы в системах ограничения грузоподъемности типа ОГМ240, выпущенных серийно ООО НЛП «Резонанс» в количестве свыше 3000 шт. согласно разрешениям Ростехнадзора на применение этих систем. С использованием базового варианта ОГМ240 разработаны и освоены в производстве различные модификации системы для установки на стреловые краны с телескопируемой стрелой и гидравлическим приводом (типа КС-3577, КС-35714 и др. ), с фиксированными длинами стрелы и гидравлическим приводом (типа КС-2573), с решетчатой стрелой и механическим приводом стрелы (типа КС-4561А, СМК-101 и др.
), с решетчатой стрелой на гусеничном шасси (типа ДЭК-251, МКГ-25БР, МКГС-100 и др. ), с решетчатой стрелой на железнодорожном шасси (типа КЖ-461, КЖ-561 и др. Системы ограничения нагрузки ОГМ240 поставляются для комплектации се-рийно-выпускаемых грузоподъемных кранов на ОАО «Челябинский механический завод», ОАО «Кировский машзавод 1 мая», ООО «Юргинский машзавод» (г.
Юрга Кемеровской области), ОАО «Клинцовский автокрановый завод» (г. Клинцы Брянской области), ОАО «Ульяновский механический завод №2» и др. Совместно с ФГУП «НИИ ФИ» (г. Пенза) завершены работы по постановке на производство модификации системы ОГМ240В для кранов специального назначения — первой отечественной системы контроля с приемкой «5». Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференциях «Приборы и системы безопасности грузоподъемных машин» 2-го московского подъемно-транспортного форума (г. Москва, 2006 г. ) и 6-го общероссийского семинара-практикума «Подъемно-транспортная техника, внутризаводской транспорт, склады» (г. Москва, 2003 г. ), на научно-практических семинарах по приборам и устройствам безопасности грузоподъемных машин (г.
Ивантеевка Московской обл. 2002—2006 гг. ), на курсах повышения квалификации государственных служащих Госгортехнадзора России, осуществляющих надзорную деятельность за подъемными сооружениями (г.
Челябинск, 2004 г. ), на 7-ом научно-практическом семинаре по приборам и системам безопасности грузоподъемных машин (г. Сочи, 2004 г. ) и на научно-технических совещаниях по приборам безопасности на крановых заводах ОАО «Мотовилихинские завод» (г. Пермь), ОАО «Челябинский механический завод», ОАО «Галичский автокрановый завод», ОАО «Ульяновский механический завод №2» и др. Публикации.
По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ. С использованием выводов и предложений диссертационной работы созданы технические решения, на которые получено 5 патентов на изобретения. Структура и объем диссертационной работы. Основная часть диссертации изложена на 136 страницах, включает в себя введение, 4 главы, заключение и список использованной литературы из 126 наименований. Положения, выносимые на защиту:. 1.
Метод автоматизированной настройки системы ограничения массы поднимаемого груза стрелового крана без использования контрольных грузов. 2. Способ измерения вылета с учетом деформации стрелы.
3. Метод анализа и повышения надежности и живучести системы ограничения нагрузки грузоподъемного крана, характеризующийся взаимным сопоставлением выходных сигналов датчиков параметров рабочего процесса крана с данными априорно сформированной базы данных их возможных сочетаний. 4. Алгоритм функционального диагностирования силовой электронной схемы системы ограничения нагрузки и электромагнитных клапанов гидравлической системы крана, заключающийся в контроле характера изменения тока в каждом электромагните. 5. Метод интеллектуализации АСУ, обеспечивающий повышенную безопасность работы крана, за счет прогнозирования развития возможных штатных и аварийных ситуаций в процессе работы крана с выработкой АСУ соответствующих управляющих воздействий или рекомендаций крановщику по формированию безопасных управляющих воздействий.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Технологический процесс настройки системы ограничения нагрузки на мобильных стреловых кранах с телескопической стрелой состоит из операций по настройке каналов измерения длины стрелы и угла ее наклона (канал измерения вылета), азимута (поворота крановой платформы) и массы груза. Показано, что в существующих системах наиболее трудоемким является процесс настройки канала измерения массы груза из-за необходимости применения контрольных грузов, близких к максимальной грузоподъемности крана. Математическая модель определения массы груза. Момент от сил тяжести груза и стрелы крана в его устойчивом положении уравновешивается суммой моментов сил, развиваемых гидроцилиндром подъема стрелы, грузовой лебедкой и силами трения в оси вращения стрелы и уплотнениях в силовом гидроцилиндре.
В соответствии с конструктивными особенностями крана и системой сил, приложенных к крану (рис. 1), уравнение моментов относительно оси вращения стрелы имеет вид. М'п + Метр = Мщ + Мгл + Мтр0 • sign (Оса, > (1). где: М'гр — момент сил тяжести груза, Н-м; Мщ — момент, развиваемый гидроцилиндром подъема стрелы, Н-м; Mav — момент силы тяжести стрелы, Н-м; Мгл — момент, создаваемой грузовой лебедкой, Н-м; Мтю — момент, создаваемый силами трения, Н-м; Остр — угловая скорость поворота стрелы, рад/с.
Рис. 1 — Расчетная схема стрелового крана.
После подстановки выражений моментов в (1) и его преобразования, контролируемая масса груза (нетто) на грузозахватном устройстве запишется в виде. г(а,1) + хвс ■. где Рщ, <1щ — усилие и плечо силы гидроцилиндра подъема стрелы (кН, м); (¡стр — вес стрелы, т; с1ар 0) — плечо силы тяжести стрелы, м; /— длина стрелы, м; а — угол наклона стрелы, град. ; г(а, I) — вылет, м; хвс — абсцисса оси вращения стрелы, м; с1гк — плечо силы грузового каната, м; кп — КПД полиспастной системы; и — кратность запасовки полиспаста; т0в— масса грузозахватного устройства, т; т/с — масса канатов и элементов полиспастной системы, т. Усилие, развиваемое гидроцилиндром подъема стрелы, определяется через давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра.
рщ = Рп$п - Р,ц$ш + тш - *'£па>сгг " ^пр + ?шг )'. где: 5Я — площадь поршня гидроцилиндра подъема стрелы, м2; — площадь поршня гидроцилиндра со стороны штока, м2; РПх Рш — давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра подъема стрелы соответственно, Па; тш — масса подвижных частей гидроцилиндра, приведенная к его штоку, кг; Уш— скорость перемещения штока гидроцилиндра подъема стрелы, м/с; РП¥ — сила трения поршня о стенки гидроцилиндра, Н; Fzш•— сила трения штока в уплотнении, Н. Измерение вылета с-учетом деформации стрелы.
При работе крана с нагрузками, близкими к максимально допустимой грузоподъемности, а также при большой длине стрелы и малом вылете из-за деформации стрелы точность измерения вылета может оказаться недостаточной. Эта деформация имеет нелинейную зависимость от момента сил изгиба стрелы, поэтому математическая модель учитывает деформацию стрелы крана и должна включать такие параметры, как углы наклона оголовка стрелы и Рис. 2 — Определение вылета с учетом удлинителя (рис. 2). деформации стрелы и ее удлинителя. С введением этих параметров вылет запишется в виде:.
г(а. О = /щ» eos а+(/-> eos у+sin а + хк, (4). или прн наличии на кране удлинителя (гуська). >"'(«. О=L» eos ct +. Погрешность измерения массы груза автоматизированной системой зависит от точности датчиков системы, погрешности монтажа датчиков на грузоподъемном кране, изменения массы стрелы и положения ее центра тяжести из-за технологических допусков деталей при изготовлении и сборке. С учетом этого выражение (2) запишется в виде.
_РщЛщ -(тсп + k"cT?)dcTpMm(l)g (6). IUcosa + (/-/^)cosy+Ahrsina + *JC--^Jg. где: Amar — коэффициент, учитывающий изменение массы стрелы из-за технологических допусков её деталей при изготовлении; А1ЦС — коэффициент, учитывающий изменение положения центра тяжести стрелы при её телескопировании. Для датчиков с линейной передаточной функцией, к которым относятся примененные датчик длины стрелы с потенциометрическим чувствительным элементом и датчики углов наклона с чувствительным элементом в виде жидкостного инклинометра, погрешность измерения может быть выражена в виде суммы аддитивной и мультипликативной погрешностей.
А=А-удейа=АОу+Ау,> Ю. где: л— результат однократного изменения; у^^ — истинное значение измеряемой величины; ДО. — аддитивная погрешность, показывающая величину смещения реальной характеристики относительно номинальной; Ду, — мультипликативная погрешность, величина которой пропорциональна текущему значению x¡.
Аддитивная погрешность датчиков угла включает в себя отклонение оси чувствительного элемента от продольной оси стрелы. К аддитивной погрешности датчика длины приводит смещение датчика вдоль телескопической стрелы, вызванное неточностью монтажа этого датчика на грузоподъемном кране. Погрешности Ау, можно принять равными 0, применив при создании системы датчики с калиброванным коэффициентом передачи. Для вычисления массы груза на крюке с требуемой точностью, необходимо определить настроечные коэффициенты Д0„, Д07, датчиков угла наклона корневой секции стрелы, оголовка стрелы и ее длины соответственно и коэффициенты Атстр и А1цс- Настроечный коэффициент А1ЦС необходимо определять при различной степени выдвижения телескопической стрелы. Выражение (6) в отличие от ранее известных моделей, позволяет осуществить разработку методов и алгоритмов определения настроечных коэффициентов системы ограничения нагрузки крана с учетом дополнительных параметров, характеризующих деформацию стрелы. Автоматизированная система ограничения массы поднимаемого груза Общая алгоритмическая структура разработанной системы ограничения нагрузки с автоматизированным поиском настроечных параметров приведена на рис. 3.
Рис. 3 — Структурная схема разработанной системы ограничения нагрузки крана. На объект управления воздействует вектор возмущений Г, на вход объекта поступает вектор управляющих воздействий X. Перемещение груза обозначено вектором К, информационные сигналы системы ограничения нагрузки: вычисленные значения массы груза и вылета — векторами от и г. В системе измеряются значения а, у, I, Рп, Рш — углов наклона корневой секции стрелы и ее оголовка, длины стрелы и давлений в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра подъема стрелы соответственно.
Измеренные значения и заданные параметры и режимы работы системы Ус поступают на вход блоков вычисления массы груза, анализа рабочего цикла и вычисления настроечных коэффициентов. Блок выбора грузовой характеристики выполняет расчет предельной загрузки крана тп исходя из параметров работы системы и пространственного положения стрелового оборудования. где: Р — расчетная функция, полученная при проектировании крана и зависящая от его конструкции, класса ответственности крана, схемы опорного контура и т. ; X — параметры опорного контура (без опор, частичное выдвижение опор, полное выдвижение опор и т.
); е — положение и масса противовеса крана; ¡л — режим телескопирования стрелы (выдвижение секций пакетами, равномерное выдвижение секций, последовательное выдвижение секций н т. ); <р — угол поворота крана; V — длина и угол наклона удлинителя стрелы. Блок анализа рабочего цикла анализирует сигналы каналов измерения массы груза, углов наклона и давлений в силовом гидроцилиндре и определяет оптимальные значения настроечных коэффициентов Тс. Блок вычисления массы груза, с использованием измеренных параметров работы крана, введенных параметров работы системы и настроечных коэффициентов рассчитывает текущую массу 1руза на крюке т.
Вычисленная масса груза т сравнивается с предельно допустимой тп. На основании результатов сравнения формируется выходной управляющий сигнал системы 2. |1|«С) ^ тп(1,г,п,Л,£,ц,<р,у) (9). |0|/я(<) > тп(1,г,п,Х,е,р,<р,у). Алгоритм настпойки канала измерения массы груза.
Идея предложенного алгоритма настройки канала измерения массы груза заключается в том, что определение настроечных параметров в (6) производится из условия обеспечения независимости результата прямого или косвенного измерения массы поднимаемого (или перемещаемого) груза от его пространственного положения. тгф = у/(1,а,Рв,Рш,Тс)=сот1 \ /„ (Ю).
где: Тс — массив настроечных коэффициентов, ^ ¡с — моменты отрыва и последующего касания грузом погрузочно-разгрузочных площадок. Из-за отличий конструктивных параметров различных кранов, значение массы поднимаемого груза при отсутствии нагрузки на грузозахватном органе при перемещении стрелы будет отличным от нуля. Аналогично, при подъеме груза значение его массы, измеренное системой контроля, не будет совпадать с фактическим.
Для поиска значений настроечных коэффициентов, при которых вычисленная масса поднимаемого груза при отсутствии груза на крюке при различных значениях длины и угла наклона будет стремиться к нулю, выразим целевую функцию в виде:. = ^п(1^„Рп„РШ1,Тс) О, (И). где / — номер вычисления массы груза; ¡¡, а,-, Рт, Рщ/ — значения выходных сигналов датчиков системы в /-том опыте; N— общее число измерений. Поиск оптимальных значений настроечных коэффициентов выполняется эвристическим алгоритмом с последовательным подбором, комбинированием и вариацией искомых параметров на основе механизмов, напоминающих биологическую эволюцию (генетический алгоритм). Данный метод не имеет значительной чувствительности к разрывам, существующим на поверхности ответа, не требует упрощения модели объекта и прост в реализации с помощью микропроцессорных средств АСУ Ш. Для осуществления автоматической компенсации не только неточности нормализации выходных сигналов и погрешности монтажа датчиков, но и неконтролируемых изменений параметров крана и автоматизированной системы контроля, значения настроечных параметров в (6) должны определяться периодически, в частности, в каждом интервале времени, в котором отсутствует нагрузка на крюке. Т.
как в начале работы грузоподъемного крана, так и через предварительно заданное число циклов подъема и перемещения груза. Необходимая периодичность уточнения значений настроечных параметров, зависит от максимально возможной скорости дрейфа параметров системы контроля. Для автоматизированной настройки системы при работе крана, анализируются измерения сигналов в каналах измерения нагрузки, вылета и угла наклона стрелы (рис.
4), выявляются интервалы времени, в которых нагрузка на грузозахватном органе либо отсутствует, либо является постоянной, и автоматически определяются настроечные коэффициенты. «ММ<«(13 вкЛШПЧМ ММИ-ДОЖ «»«(&*« МЯЙЧМ «ЛЛИЛМ* «¿ем л. Рис. 4 — Рабочий цикл грузоподъемного крана Система ограничения массы груза с принципом взаимного резервирования. оператора и автоматики. После выполнения настройки груза на кране, возникновение аварийных и непредвиденных ситуаций из отказов системы порождает проблему доверия оператора к системе безопасности. Крановщик может как излишне полагаться на неисправную систему, так и наоборот — не доверять системе защиты даже при ее нормальном функционировании и выполнять функции по ограничению нагрузки самостоятельно (вручную), умышленно блокируя исполнительные устройства системы.
Для решения этой задачи предложена автоматизированная система, в которой реализуется не только автоматизированная настройка, но и принцип взаимного резервирования оператора и автоматики (рис. 5). системы ограничения массы поднимаемого. Грузоподъемный кран. Исполнительные устройства.