Содержание к диссертации
Введение
1 Раскачивание груза при перемещении его подъемно-транспортными механизмами на гибком подвесе 10
1.1 Влияние колебаний груза на работу мостового крана 10
1.2 Способы ограничения раскачивания груза 18
Выводы 39
2 Математическая модель электромеханических систем мостового крана 41
2.1 Допущения принятые при построении электромеханической системы мостового крана 41
2.2 Электромеханические системы мостового крана 45
2.3 Механическая часть электромеханической системы мостового крана 53
2.4 Проверка разработанной модели мостового крана 80
Выводы 86
3 Ограничение колебаний груза путем повышения демпфирующей способности электропривода подъемно-транспортных механизмов 87
3.1 Разработка способа ограничения колебаний груза перемещаемого мостовыми кранами 87
3.2 Система автоматического ограничения перекоса фермы мостового крана 103
3.3 Совместное движение механизмов мостового крана 108
Выводы 116
4 Экспериментальная проверка разработанного устройства подавления колебаний гибкоподвешенного груза 117
4.1 Реализация устройства подавления колебаний 117
4.2 Экспериментальная модель электромеханической системы крана 120
4.3 Реализация устройства подавления колебаний и системы ограничения перекоса на частотном преобразователе Sinamics S120 138
Выводы 147
Заключение 148
Библиографический список
- Способы ограничения раскачивания груза
- Электромеханические системы мостового крана
- Система автоматического ограничения перекоса фермы мостового крана
- Экспериментальная модель электромеханической системы крана
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Перемещение гибкоподвешенных гру
зов в промышленности, на транспорте и в строительстве осуществляется разно
образными подъемно-транспортными машинами, среди которых широкое рас
пространение получили мостовые краны. При пуске и торможении механизмов
передвижения, груз отклоняется от положения равновесия в сторону, противо
положную движению. После достижения приводом механизма передвижения
заданной скорости, ускорение точки подвеса становится равным нулю, колеба
ния груза затухают вследствие действия сил сопротивления. Наличие колеба
ний приводит к увеличению максимальной нагрузки на привод и металлокон
струкции, осложняет точность отработки требуемых траекторий движения и
позиционирования груза, снижает производительность подъемно-
транспортного механизма. Особенно неблагоприятно раскачивание ковшей с расплавленным металлом, перемещаемых металлургическими и литейными кранами.
Механические способы ограничения раскачивания груза приводят к усложнению конструкции крепления груза, увеличивают инерционность и габаритные размеры систем, повышают сложность их настройки и эксплуатации. Способы, основанные на ручном управлении, заключаются в том, что крановщик определенным образом маневрирует механизмами крана. При ручном управлении система электропривода может быть сравнительно простой, однако работа крановщика оказывается в этих случаях интенсивной и напряженной, а сам крановщик должен быть достаточно опытным. В автоматических системах успокоения колебаний груза, применяются сложные датчики отклонения или формируются определенные законы изменения ускорения механизма передвижения от времени. Способы автоматического успокоения реализованы зарубежными фирмами и не имеют отечественных аналогов.
Существует необходимость в разработке такой системы управления эле-троприводом механизма передвижения подъемно-транспортной машины, которая позволяет эффективно ограничивать колебания груза без использования датчиков угла отклонения.
Степень разработанности темы исследования.
Исследованиями и разработкой способов подавления колебаний занимались Герасимяк Р.П., Мещеряков В.Н., Теличко Л.Я., Терехов В.М., Осипов О.И., Масандилов Л.Б., Орлов А.Н., Однокопылов И.Г.
Цель работы – ограничение раскачивания гибкоподвешенного груза, за счет реализации максимальной демпфирующей способности электроприводов.
Идея работы заключается в разработке корректирующих средств систем
электропривода обеспечивающих ограничение колебаний груза. Задачи работы:
-
Разработать уточненную математическую модель электромеханической системы (ЭМС) механизмов передвижения мостового крана, учитывающую изменение коэффициента жесткости моста в зависимости от положения тележки; статический вертикальный прогиб конструкции моста от веса груза в месте его приложения; удлинение грузовых канатов от веса груза; изменение величины коэффициента жесткости каната в зависимости от длины подвеса; изменение статического момента механизма передвижения опор моста и момента инерции в зависимости от положения тележки на ферме; влияние ветровой нагрузки на перемещаемый груз и возможность исследований совместной работы механизмов мостового крана.
-
Разработать математическую модель колебаний груза в плоскости движения механизмов горизонтального перемещения, учитывающую силу сопротивления воздуха и динамическую ветровую нагрузку.
-
Разработать и исследовать устройство демпфирования колебаний груза, использующее корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз».
-
Определить значение коэффициента коррекции для получения оптимального значения времени переходного процесса и эффективного гашения колебаний.
-
Разработать испытательную установку и провести исследование эффективности работы устройства демпфирования колебаний.
-
Разработать систему ограничения рассогласования перемещений опор крана и исследовать возможность совместной работы с устройством демпфирования колебаний.
Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.09.03:
-
Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.
-
Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.
Научная новизна:
- разработана математическая модель электромеханической системы мостового крана, отличающаяся тем, что учитываются: изменение коэффициента
жесткости моста в зависимости от положения тележки; статический вертикальный прогиб конструкции моста от веса груза в месте его приложения; удлинение грузовых канатов от веса груза; изменение величины коэффициента жесткости каната в зависимости от длины подвеса; изменение статического момента механизма передвижения опор моста и момента инерции в зависимости от положения тележки на ферме; совместная работа механизмов мостового крана; влияние ветровой нагрузки на перемещаемый груз;
разработано устройство подавления колебаний груза, отличающееся тем, что входной сигнал угла отклонения груза, подаваемый на вход регулятора скорости системы управления механизма передвижения, получен с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз» (защищено патентом на полезную модель № 85890);
разработана методика расчета величины масштабирующего коэффициента коррекции, определяемого на основании уставки задатчика интенсивности и параметров маятника.
Практическая значимость:
разработана схема корректирующего устройства, подавляющего колебания груза, имеющего простую конструкцию, легко встраиваемую в типовые системы электропривода;
при использовании устройства подавления колебаний логарифмического декремента затухания увеличилась с 0,08 (без коррекции) до 1,35 (с корректирующим устройством), при этом время переходного процесса увеличилось на 12,4%;
разработанная модель мостового крана в блоках Simulink пакета программ Matlab, позволяет проводить исследования различных режимов работы подъемно транспортного механизма.
Методология и методы исследования. В теоретических исследованиях использовались положения и методы теории систем управления электроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники. Задачи, поставленные в ходе исследования, решались с помощью методов математического моделирования переходных процессов на ЭВМ с помощью пакета математических программ Simulink в программной среде Matlab. Для исследования эффективности системы управления с корректирующим устройством разработана и изготовлена экспериментальная модель электропривода механизма перемещения, включающая в себя преобразователь с микропроцессорным управлением Simoreg DC Master. Разработанные устройства реализованы для частотного электропривода Sin-amics S120 механизмов передвижения реализованы с помощью утилиты
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соответствием результатов теоретических исследований с результатами компьютерного моделирования и результатами, полученными экспериментальным путем, а также соответствием полученных результатов с положениями теории электротехники и общей теории автоматического управления.
Реализация работы. Полученные результаты используются при проведении перспективных разработок в Центре развития систем автоматизации Дирекции по автоматизации технологических процессов ОАО «НЛМК», а также внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ) в форме лабораторных практикумов.
На защиту выносится:
ЭМС мостового крана, отличающаяся тем, что учитываются: изменение коэффициента жесткости моста в зависимости от положения тележки; статический вертикальный прогиб конструкции моста от веса груза в месте его приложения; удлинение грузовых канатов от веса груза; изменение величины коэффициента жесткости каната в зависимости от длины подвеса; изменение статического момента и момента инерции механизма передвижения опор моста в зависимости от положения тележки на ферме; совместная работа механизмов мостового крана; влияние ветровой нагрузки на перемещаемый груз;
устройство подавления колебаний груза, использующее корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз», подаваемый на вход регулятора скорости системы управления механизма передвижения, и использующее коэффициент масштабирования;
методика расчета величины масштабирующего коэффициента коррекции.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно - практической конференции «Автоматизированные системы управления на производстве» (Днепропетровск, 2006); на VII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2007); на VI Международной научно - практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2007)» (Томск, 2007); на VIII Международной научно - практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (Новочеркасск, 2007); на IX Международной научно - практической конференции
«Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2008); на IX Международной научно – практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2009); на межвузовской научно – практической конференции «Актуальные проблемы современного научного знания» (Липецк, 2011); в школе молодых ученых по техническим наукам: материалы областного профильного семинара (Липецк, 2011); на региональной научно – технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2011); на межвузовской научно – практической конференции «Актуальные проблемы современного научного знания» (Липецк, 2012); Международной научно – практической конференции «Вопросы образования и науки: теоретические и методические аспекты» (Тамбов, 31 мая 2014); Международной научно – практической конференции «Современное общество, образование и наука» (Тамбов, 31 марта 2015).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, отражающих содержание диссертационной работы: из них 6 – в изданиях из перечня ВАК РФ, 2 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и шести приложений. Объем работы составляет 200 страниц, в том числе 149 страниц текста, 93 рисунка, 31 таблицы, библиографический список из 90 наименований, приложения на 42 страницах.
Способы ограничения раскачивания груза
При разгоне и торможении механизма передвижения возникают колебания груза относительно положения равновесия. Груз и канат, прикрепленный к тележке, образуют маятник с подвижной точкой подвеса. Путем рационального перемещения точки подвеса этого маятника можно управлять его колебаниями с помощью электропривода механизма передвижения. Для ограничения времени и амплитуды маятниковых колебаний груза используют механические способы и способы, основанные на управлении электроприводом механизма передвижения [42].
Механические способы ограничения колебаний направлены на изменение конструкции крепления груза. Классификация механических способов уменьшения раскачивания груза представлена на рисунке 1.3 [4, 28, 37, 52, 53].
Механические способы ограничения раскачивания груза приводят к усложнению конструкции крепления груза, увеличивают инерционность и габаритные размеры систем, повышают сложность их настройки и эксплуатации. Кроме того, здесь происходит увеличение износа механических элементов вследствие того, что маятниковые колебания гасятся за счет рассеивания энергии на силу трения. Отмеченные недостатки приводят к ограниченному использованию механических способов ограничения раскачивания груза.
Способы, основанные на ручном управлении, заключаются в том, что оператор определенным образом маневрирует механизмами. Опытные операторы гасят колебания груза, управляя приводным двигателем механизма передвижения в определенной последовательности [42]: при разгоне осуществляют операции “пуск – торможение – пуск”, а при торможении – “торможение – пуск – торможение”.
На рисунке 1.4 показаны промежуточные положения груза и механизма передвижения в процессе пуска. В исходном положении механизм и груз неподвижны, канат расположен вертикально. По команде “пуск” механизм передвижения разгоняется до заданной рабочей скорости, при этом груз вследствие инерции оказывается отклоненным назад. При поступлении команды “торможение” механизм останавливается, направление движения груза изменяется на противоположное и он догоняет, а затем и обгоняет точку подвеса. Следующая ко 20 манда “пуск” дается тогда, когда канат с грузом отклонены вперед по движению, при этом механизм вновь разгоняется до рабочей скорости и догоняет груз. Если команды подаются удачно, то механизм догоняет груз в конце процесса пуска, поэтому дальнейшее движение механизма передвижения осуществляется с вертикально расположенным грузом.
При ручном управлении система электропривода может быть сравнительно простой, однако работа оператора оказывается в этих случаях интенсивной и напряженной, а сам оператор должен быть достаточно опытным.
Некоторые дополнительные возможности уменьшения амплитуды колебаний груза и увеличения их затухания дает электропривод благодаря наличию в системе электромеханической связи [27]. Электропривод с линейной механической характеристикой при благоприятных сочетаниях параметров электромеханической системы [22, 80] способен эффективно демпфировать упругие механические колебания за счет гашения энергии колебаний в виде теплоты в сопротивлениях силовой цепи электропривода или отдачи части этой энергии в питающую сеть. Если приведенный момент инерции груза соизмерим с суммарным моментом инерции двигателя и жестко связанных с ним элементов механизма, то подбором оптимальной жесткости механической характеристики можно значительно увеличить затухание колебаний груза.
На рисунке 1.5 представлена расчетная схема ЭМС механизма передвижения. Здесь Ji - суммарный момент инерции ротора приводного двигателя и жестко связанных с ним элементов механизма; h - приведенный момент инерции груза; сi2 - жесткость связи механизма с грузом; R2д - добавочное сопротивление в цепи ротора, обеспечивающее возможность изменения жесткости механической характеристики двигателя. Если линеаризовать рабочий участок механической характеристики и пренебречь трением груза о воздух, то для рисунка 1.5 можно записать следующую систему уравнений [80]:
В качестве прямой оценки колебательности системы в переходных процессах используем логарифмический декремент X = 2жх/П, где a, Q - действительная и мнимая части пары комплексно сопряженных корней характеристического уравнения системы (1.13) [27]. Рассмотрим однородное дифференциальное урав 22 нение, которое получим разрешив (1.13) относительно Mi2 при Мк.з=0 и Мст1=0. Если заменить в нем действительное время t на относительное время x=Qi2t, то получим [27]: уТмА2 + у + уТмА2 + м12 = о, (1.14) где у = (jx + J2)/J1 = Js/J1; Тм1 - электромеханическая постоянная массы с моментом инерции Jb тм1 = Jx/p. Характеристическое уравнение системы имеет вид: УМ/(Р)Р3 + УР2 + УМ/(Р)Р + 1 = 0 , (1.15) где \/(Р) = TмlQ12 - параметр, монотонно убывающий от оо до 0 при изменении Р от 0 до оо. Корни характеристического уравнения (1.15), а следовательно и логарифмический декремент X, при изменениях Р зависят только от соотношения инерционных масс системы у и от варьируемого параметра V/(P) [27]. На рисунке 1.6 изображена зависимость A,=f [v/(P)], построенная для различных значений модуля жесткости механической характеристики Р при у = const.
При \/(Р)=0 (Р=о) демпфирование отсутствует [27], Pl2 = ±&; 1=0. Уве личение V/(P) (уменьшение Р) вызывает возрастание затухания и при V/опт(P) имеет место наибольшее значение Х=Хтях. Увеличение у (рисунок 1.6) влечет за собой возрастание максимума логарифмического декремента: при у 9, как показывают расчеты [27], А,=оо, т.е. корни становятся действительными и отрицательными числами, а переходные процессы в упругой системе имеют экспоненциальный характер.
Подбором оптимальной жесткости механической характеристики электропривода, если его приведенный момент инерции h соизмерим с Ji (т.е. при у 1,5), можно значительно увеличить затухание колебаний груза [27]. Положитель 23
ный эффект от подбора оптимальной электромеханической связи достигается только при у 1,5 [27], однако для многих механизмов передвижения у = 1,1 -г-1,3. Вторым недостатком является ослабление демпфирования с уменьшением массы перемещаемого груза. При этом у уменьшается и максимум X быстро снижается. Кроме того, демпфирующая способность зависит от длины подвеса груза. Оптимальная жесткость определяется значением уопт(Р) = Тм1оптП12:
Электромеханические системы мостового крана
При работе подъемного механизма с грузом весом mг g тележка весом mтg располагается на упругом мосту. Сі - коэффициент жесткости моста, приведенный к точке приложения нагрузки. Электродвигатель и подъемный механизм с приведенной массой вращающихся частей іщ при помощи каната с коэффициентом жесткости Си воздействуют на груз массой тг.
Тележка расположена на ферме моста, имеющей конечную жесткость - Сь Упругая податливость несущих металлоконструкций моста существенно меняется в зависимости от положения тележки в пролете. Коэффициент жесткости моста рассчитывается из допущения о том, что рама тележки и подкрановые балки металлоконструкций цеха абсолютно жесткие (рисунок 2.8). Коэффициент жест 57 кости моста в зависимости от положения тележки определяется [8, 13] по форму ле: С 3EJ 1 х2(1 -х У т V м т / где Е= 2,1105 (МПа) – модуль Юнга для стали; Jx – момент инерции сечения балки относительно центральной оси 0Х; EJx – изгибная жесткость моста; lм –длина пролета моста; xт – расстояние от опоры до точки приложения усилия.
Статический вертикальный прогиб конструкции моста от веса груза в месте его приложения рассчитывается согласно следующей зависимости [8, 23]: 3EJ где Q, (кН) – вес поднимаемого груза. Перемещение точки подвеса груза вследствие статического удлинения грузовых канатов от веса груза оценивается по формуле [38]: где Ек=1,4-1010 кг-с/м2 - модуль упругости каната; Кп - кратность полиспаста; Sк площадь сечения каната. Для подъемных канатов характерно, то, что их коэффициент жесткости при подъеме или опускании груза изменяется, так как он зависит от длины канатов.
Системе уравнений (2.2) соответствует структурная схема, приведенная на рисунке 2.9. Структурная схема двухмассовой системы механизма подъема груза в блоках SIMULINK представлена в приложении Г на рисунке Г.1.
Четырехколесный механизм передвижения тележки выполняется с центральным приводом (рисунок 2.1 а), с двумя приводными колесами. Ходовые колеса грузовых тележек выполняют двух- и одноребордными. Привод механизма передвижения тележки, как правило, является индивидуальным. Передвижение в горизонтальной плоскости осуществимо только тогда, когда груз поднят на некоторую высоту, в результате чего канат натянут.
При работе грузоподъемных машин с гибкими тяговыми звеньями и свободным подвесом грузов, а также при пуске и остановке механизмов горизонтального перемещения, наблюдается поперечное раскачивание грузов. Это раскачивание является причиной неравномерного движения механизмов перемещений, дополнительных нагрузок на элементы грузоподъемной машины, создает трудности при позиционировании грузов [41, 43, 75]. Груз и подвес образуют маятник с подвижной точкой подвеса, которая закреплена на тележке мостового крана. Под действием усилия, приложенного к точке подвеса от приводов передвижения, транспортируемый груз совершает колебания как в плоскости движения моста, так и в плоскости движения тележки крана. Амплитуда и период колебаний груза зависят от длины подвеса (изменяющейся в процессе подъема и опускания) и веса транспортируемого груза. Таким образом, колебания груза носят пространственный характер в функции изменяющейся длины подвеса и массы груза.
Структурная схема двухмассовой системы механизма подъема груза Для учёта влияния скачкообразного изменения нагрузки, вызванного выбором зазора в звеньях кинематической передачи, целесообразно рассматривать трёхмассовую электромеханическую систему, в которой упругая связь между двигателем и механизмом перемещения (валы механической передачи) – обладает конечным значением жёсткости С34. Расчётная схема такой ЭМС после приведения к валу двигателя и с учётом зазора в передаче приведена на рисунке 2.10. Здесь lп – длина подвеса, R4 – радиус ходовых колес тележки.
Для механизма передвижения тележки составим следующую систему уравнений. где Мз - момент на валу двигателя механизма передвижения тележки; М34, М з4 -упругие моменты в трансмиссионных валах без учета и с учетом сил внутреннего трения; Мс3 - статический момент; Мстт - статический момент от веса тележки и груза; М23 - момент, учитывающий влияние раскачивания груза, в плоскости движения тележки на электропривод передвижения тележки; М 23 - момент, учитывающий влияние раскачивания груза, в плоскости движения моста на электропривод передвижения тележки при совместном движении механизмов; фз, ф4 угловые перемещения; Афз4 - зазор в редукторе и муфтах; ]2 h - моменты инер 61 ции; Вз4 - коэффициент внутреннего вязкого трения; Сз4 - приведенная жесткость валов;В34(ю3 4) – момент внутреннего трения; р - коэффициент приведения.
Груз массой тг с помощью подвеса длиной 1п связан с точкой подвеса, движущейся под действием сил Бдт, создаваемой приводным двигателем тележки (рисунок 2.10). Груз отклоняется от положения равновесия на некоторый угол осх. Под действием веса груза mгg возникают силы Fix=mгg-sinax и F2x=mгg-cosax. Сила Fix вызывает движение груза к своему положению равновесия, а F2X- определяет натяжение подвеса.
Система автоматического ограничения перекоса фермы мостового крана
Аналогичным образом на основании уравнения (2.17) строим схему устройства ограничения колебаний в плоскости движения моста. Функциональная схема определения угла отклонения в плоскости движения моста представлена на рисунке 3.8.
Предлагаемое устройство [77] ограничения раскачивания груза в плоскости движения моста содержит задатчик интенсивности – 1; пропорциональные усилители 4, 9 и 18 с коэффициентами усиления Kм, Kсв и Kкор_м соответственно; сумматоры – 5, 16, 19; интеграторы – 6, 7; делители – 8, 13 и 15; блоки умножения – 11, 14; блоки, формирующие константные значения: 10 (сумма массы тележки и моста), 12 (ускорение свободного падения – 9,81 м/с2), 17 (число 1).
Полученное значение угла отклонения груза от вертикальной оси в плоскости движения тележки поступает на вход пропорционального усилителя 18 с коэффициентом масштабирования Kкор_м. Сигнал с выхода усилителя вычитается из сигнала задания на скорость.
Влияние корректирующих сигналов на систему регулирования механизма 99 ми горизонтального перемещения мостового крана, определяется величиной коэффициента коррекции (Kкор_т – для тележки, Kкор_м – для моста). Изменение коэффициента коррекции в сторону увеличения приведет к значительному уменьшению колебаний, но в тоже время вызовет затягивание переходного процесса. Значение коэффициента коррекции рассчитывается по формуле: К =4о.кол (3.9) А где Uо.кол – значение задающего напряжения системы управления (10 В). Для механизма передвижения тележки имеем: где Vн_т – номинальная скорость тележки; V0 – начальная скорость тележки; ат – ускорение тележки. Уравнение (2.9) для расчета амплитуды колебаний в плоскости движения тележки с учетом (3.10) перепишем в виде: где Tзи_м – время выхода на заданную скорость (параметр задатчика интенсивности); Vн_м – номинальная скорость моста.
Функциональная схема системы с ограничением колебаний груза представлена на рисунке 3.9. Она отображает простую систему управления, включающую в себя только систему ограничения колебаний груза. Рисунок 3.9 а – система управления с датчиками длины подвеса и веса груза, рисунок 3.9 б – длина подвеса и вес груза определяется на основе внутренних переменных электропривода механизма подъема. Датчики длины подвеса и веса груза могут быть прямыми или косвенными.
В системе можно использовать прямые методы измерения веса груза на крюке: встроенные силоизмерители в конструкции крана или внешние датчики силы (тензометрические датчики имеют пределы взвешивания от нескольких грамм до сотен тысяч тонн. При этом обеспечивается минимальная чувствительность к колебаниям температуры за счет использования двойного моста (мост Кельвина), что позволяет снизить ошибки нелинейности, повторяемости и гистерезиса [89]. В косвенных методах, вес груза определяется на основании энергетических показателей электропривода механизма подъема (поскольку транспортировке груза всегда предшествует подъем груза с опоры).
Длину подвеса можно определять с помощью датчика угла поворота барабана или пересчитывать в соответствии со скоростью электропривода и конструктивных параметров механизма подъема. В процессе работы мостового крана, очевидно, будет накапливаться ошибка в определении длины подвеса. Корректировать ошибку можно с помощью ограничителя механизма подъема (грузозахватное устройство в верхнем положении) - при его срабатывании вносить константу равную минимальной длине подвеса. Максимальное значение длины подвеса можно определить в процессе наладки мостового крана, используя формулу периода колебаний математического маятника (справедлива для физическо (Г го маятника при малых колебаниях) Т = 2% Замерив, время периода колеба-g ния груза при максимальной длине подвеса определим его длину: 1п=Т2 «0,25Т2.
Перекос фермы моста приводит к повороту крана в горизонтальной плоскости и его поперечному смещению, увеличивает нагрузку на конструкции механизмов опор моста, а также износ подкранового пути и реборд колес [41]. Раздельное управление многодвигательным электроприводом, неидентичность деталей и передаточных механизмов электроприводов, разный статический момент на электроприводах опор и динамическая нагрузка от маятниковых колебаний груза являются причинами возникновения перекоса фермы моста.
Маятниковые колебания груза, перемещаемого на гибком подвесе возле одной из опор мостового крана (вместе с дополнительным статическим моментом от веса груза и тележки) приводят к увеличению динамической нагрузки на элек 104 тропривод нагруженной опоры, и как следствие к уменьшению частоты вращения двигателя и опора начинает притормаживаться. Ненагруженная опора начинает забегать вперед относительно более нагруженной опоры [2]. При этом ненагру-женный двигатель начинает воспринимать передаваемую через металлоконструкцию моста повышенную нагрузку и разгружает двигатель нагруженной опоры, за счет чего частота вращения первого двигателя уменьшается, а частота вращения второго двигателя увеличивается до тех пор, пока они не выровняются. Таким образом, в процессе движения крана с раздельным приводом происходит перераспределение нагрузки между обоими двигателями.
Исследование механизмов передвижения с раздельным приводом показывает [2], что этот привод обеспечивает нормальную работу кранов при L/B 6, где L – пролет крана; B – его база. При L/B 6 отмечаются повышенная упругая деформация моста крана и значительные забегания одной концевой балки относительно другой (при расположении тележки с грузом около одной из концевых балок). Для обеспечения нормальной работы крана при L/B 6 необходимо повысить жесткость моста в горизонтальной плоскости, что связано с его утяжелением. Использование системы ограничения рассогласования перемещений опор моста, позволит снизить негативный эффект указанного явления [39, 78].
Работа предлагаемого устройства заключается во введении в систему управления корректирующего сигнала, пропорционального величине перекоса опор относительно положения равновесия и поперечному смещению опор крана относительно подкранового пути [78]. Корректирующий сигнал формируется с помощью системы индуктивных датчиков с аналоговым выходом, установленных на опорах моста (рисунок 3.10). На выходе датчика формируется аналоговый сигнал пропорциональный расстоянию от датчика до рельса. Сигнал датчика лежит в диапазоне [0; Lmax].
Экспериментальная модель электромеханической системы крана
Большая часть современных подъемно-транспортных механизмов приводится в движение с помощью частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Использование преобразователей частоты обусловлено их широкими техническими возможностями. Это экономия электроэнергии за счет отказа от использования балластных сопротивлений, более дешевые, надежные короткозамкнутые двигатели, многоуровневая диагностика и защита двигателя, самозащита, гибкость в настройках и адаптивность к технологическому процессу. Помимо общих преимуществ, преобразователи частоты помогают решить и специфические крановые проблемы. Значительно увеличивается срок службы тормозных колодок, за счет наложения тормоза только при нулевой скорости вращения двигателя. При управлении от преобразователя частоты двигатель работает в «щадящем» режиме, т.к. ток статора ограничен не более двух номинальных, контролируется температура обмоток. Преобразователи частоты устойчивы к кратковременным просадкам напряжения, например, при отрыве токосъемников от троллеев. Возможность возврата в сеть генерируемой электроэнергии от инерционных механизмов крана позволяет снизить нагрузку на сеть и перераспределить энергию внутри системы управления в целом.
Для снижения стоимости модернизации кранов, оборудованных традиционными системами кранового электропривода на базе асинхронных двигателей с фазным ротором, сохранялись электродвигатели. При этом, модернизация осуществляется путем замены нерегулируемых и регулируемых электроприводов различных типов на частотно регулируемые асинхронные электроприводы. В настоящее время имеется положительный опыт эксплуатации асинхронных двигателей с закороченным фазным ротором при питании от преобразователя частоты (г. Липецк, ОАО «НЛМК», цех ПДС, мостовой кран КМ 32/5-А5УП-28-16-У3, тип двигателя MTF312-6, преобразователь частоты фирмы Altivar ATV71).
Краткий обзор современного состояния рынка преобразователей частоты показывает огромное количество предложений, продвигаемых сотнями как ведущих, так и менее известных зарубежных и отечественных фирм. На российском рынке ныне представлены все именитые мировые изготовители. Среди зарубежных изготовителей следует упомянуть следующие основные фирмы задающие критерии качества в производстве частотных преобразователей: АВВ, Allen Bradley, Danfoss, Mitsubishi Electric, Schneider Electric, Siemens, Yaskawa. Производителями отечественных преобразователей частоты на российском рынке являются: «Веспер-Автоматика», Институт биологического приборостроения РАН, «ИРЗ», НТЦ «Приводная Техника», НПП «Сапфир», ТомЗЭЛ, корпорация «Триол-СПб», «ЭРАСИБ», ОАО «Электровыпрямитель», ОАО «Электропривод», «Электро-текс», ЧЭАЗ и др. Несмотря на то, что количество отечественных производителей не так уж и мало, но доля их в электроприводах подъемно-транспортных механизмов, по сравнению с зарубежными аналогами – невелика.
Фирма Siemens уже долгое время удерживает позиции лидера в сфере регулируемого электропривода переменного тока. Частотные преобразователи Sinamics это семейство приводов Siemens для промышленного машиностроения и производства промышленного оборудования. Sinamics предлагает различные решения для многих задач приводов в том числе и для отвечающих самым высоким требованиям приводов подъемно-транспортных механизмов.
Рассмотрим в качестве примера реализацию устройства демпфирования колебаний и автоматической системы ограничения перекоса фермы мостового крана на компоненте линейки приводов Sinamics приводной системы Sinamics S120. Конфигурирование преобразователя частоты осуществим с помощью утилиты STARTER. С помощью программы STARTER система привода может вводиться в эксплуатацию и параметрироваться. Кроме того, с этим инструментом в сервисном случае могут выполняться необходимые функции диагностирования. Функциональная схема электроприводов механизмов мостового крана представлена на рисунке 4.15 [51]. Особенностью системы приводов Sinamics S120 является централизованное управление [90]. Функции связи и контроля по обратной/прямой связи для одного или нескольких модулей двигателя выполняются в модуле управления CU320. Возможности модулей управления CU320 позволяют исключить из системы ПЛК и взять на себя его функции (логическое управление, сбор сигналов с удаленной периферии из кабины, обмен информации с панелью оператора). В качестве станций ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов можно использовать модули расширения – терминальный модуль. Терминальный модуль, позволяет увеличить количество цифровых входов и выходов и количество аналоговых входов и выходов для привода, а также оснащен выходами реле с контакторным переключателем и входом для температурного датчика. Модуль сетевого питания – автономный блок питания/рекуперации (с IGBT в направлении питания и рекуперации) вырабатывает регулируемое напряжение DC-контура. При этом работа подключенных модулей двигателей не зависит от колебаний напряжения сети. Интерфейс DRIVE-CLiQ позволяет подключать компоненты приводной системы SINAMICS.
Программирование систем демпфирования колебаний и ограничения перекоса осуществим в редакторе CFC (Continuous Function Chart). Редактор CFC позволяет позиционировать необходимые функциональные блоки и определять связи между ними. CFC программы разрабатываются в виде технологических планов. Каждый технологический план содержит необходимый набор связанных между собой блоков. Технологический план состоит из 6 страниц, функциональные блоки на разных страницах могут быть соединены между собой с помощью области соединений. Технологические планы могут иметь иерархическую структуру (план в плане), что позволяет существенно улучшить структуру всей программы. Разработанный CFC план сохраняется в виде модуля с определенным количеством входов и выходов для включения в другие технологические планы. Требуемый ход выполнения программы определяется назначением свойств управляющей последовательности. Эти свойства могут определяться для каждого блока программы.