Скосырский Н.П., Даньшин В.В., Буданов Д.С. "Влияние предварительных порогов срабатывания ограничителя грузоподъемности на динамику мостового крана"

Скосырский Николай Прокопьевич,  эксперт ЗАО «ИТЦ «КРОС»

Даньшин Виталий  Васильевич, эксперт ЗАО «ИТЦ «КРОС»

Буданов Дмитрий Сергеевич, эксперт ЗАО «ИТЦ «КРОС»

Влияние предварительных порогов срабатывания ограничителя грузоподъемности на динамику мостового крана

В данной статье рассмотрены вопросы влияния первого и второго предварительных порогов срабатывания ограничителя грузоподъемности  со встроенным регистратором параметров «ОГШ-2» на динамику мостового крана, а также взаимное влияние порогов срабатывания друг на друга.

         В последние годы вопрос безопасной работы грузоподъемных машин является одним из самых важных в области эксплуатации. Согласно Федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности "Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения" нагрузка на кран мостового типа должна быть не более 125% от номинальной грузоподъемности, при этом груз не должен отрываться от основания [1].  Для обеспечения данного требования применяются ограничители грузоподъемности. На протяжении последних лет существует тенденция к расширению функционала ограничителей грузоподъемности. Расширение функционала приводит к усложнению алгоритма работы ограничителя грузоподъемности. Ранее ограничители грузоподъемности  выдали в систему управления крана команду на отключение двигателя механизма подъема при достижении установленного порога нагрузки, в настоящее время ограничители грузоподъемности могут вырабатывать несколько сигналов на отключение и включение двигателя механизма подъема в систему управления крана для снижения динамической составляющей нагрузки на кран. Например, В алгоритм работы ограничителя грузоподъемности со встроенным регистратором параметров ОГШ-2 заложены 4 порога (три предварительных : Q_пр1, Q_пр2, Qср, и один безусловный Qмакс).  Данные пороги отвечают за отключение двигателя механизма подъема при различных условиях с возможным последующим его запуском на подъем или опускание  (предварительные пороги ) или без последующего запуска на подъем (безусловный порог).

Промежуточные пороги Q_пр1 и Q_пр2 можно настраивать в пределах от 0% до 125% или отключить совсем.

         При достижении указанной в программе нагрузки Q _пр1 происходит отключение двигателя механизма подъема (время простоя настраивается в программе ограничителя грузоподъемности, при этом оно  не должно составлять менее 1000 мс). Во время отключения двигателя механизма подъема запускается алгоритм вычисления средней нагрузки. Если средняя нагрузка за время простоя не превысила порог Qср, то подъем груза разрешается, иначе происходит срабатывание запрета на подъем и перемещение груза (запуск двигателя механизма подъема на опускание разрешен), пока нагрузка на механизм подъема не станет ниже установленного значения «порога снятия запрета». При достижении нагрузки, соответствующей уровню второго предварительного порога Q_пр2 алгоритм повторяется, таким образом, обеспечивается максимальное снижение нагрузки на кран.

Сотрудниками кафедры «Подъемно-транспортные системы»  МГТУ им. Н.Э.Баумана совместно со специалистами ЗАО «ИТЦ «КРОС» были проведены сравнительные эксперименты  и анализ динамических нагрузок при срабатывании ограничителя грузоподъемности и без него, а также анализ динамических характеристик при нагружении крана грузами разной массы.

Рассмотрим теперь работу промежуточных порогов на практике, применительно к лабораторному крану мостового типа КМГ-201, установленному в лаборатории кафедры РК-4 МГТУ Им. Н.Э.Баумана (рис.1)

Рис.1 Схема размещения элементов ограничителя грузоподъёмности на мостовом кране.

                    Для наблюдения за динамикой усилий была собрана экспериментальная установка, которая включает в себя:

• кран мостового типа КМГ-201., г/п 1,6т  оснащенный тахогенератором на валу двигателя механизма подъема и тензометрическими датчиками. Тензометрический датчик, установленный на мосту крана, фиксирует усилия, возникающие в металлоконструкции крана, а тензометрический датчик балочного типа, установленный на холостой ветви каната механизма подъема, фиксирует усилие в канате;

• прибор безопасности: ограничитель грузоподъемности со встроенным регистратором параметров ОГШ-2;

• цифровой осциллограф Tektronix DPO 2014.                      

В данной установке  осциллограф подключен через усилители к тензометрическим датчикам на кране и к тахогенератору, что позволяет в режиме реального времени отслеживать  изменения усилий в канате и частоты вращения вала двигателя на одной временной шкале. В свою очередь, это позволит соотносить моменты начала остановки, простоя и запуска двигателя с изменениями  нагрузки в механизме подъеме и металлоконструкции крана.

На рис.2 показан осредненный график зависимости усилия в канате от времени и график зависимости частоты вращения вала  двигателя  от времени при подъеме груза весом 100% от номинального.

Рис. 2. Графики зависимости  усилия в канате и частоты вращения вала двигателя от времени  при подъёме груза весом в 100% от номинального.

        В данном эксперименте значения Q_пр1 и Q_пр2 были выставлены на 30% и 45% соответственно. Однако, из графика видно, что двигатель отключается значительно позже. Это явление связано с тем, что существует некоторая задержка срабатывания прибора t_ср, которая определяется временем срабатывания релейных систем привода. Полная остановка двигателя и наложение тормоза происходит уже после того, как груз оторван от основания. Отрыв груза от основания происходит в момент, когда усилие в канате достигает 100% от веса груза. В этот момент  на груз перестает действовать реакция опоры.

После момента, соответствующего достижению наибольшей нагрузки в канате (первый «пик» на графике зависимости усилия в канате от времени, (рис.3)  в канате появляются сжимающие ­­­­его усилия, а на механизм подъёма наложен тормоз, при этом у груза (т. к. он оторван от основания и движется с некоторой скоростью) уже есть инерция. Описанные выше факторы вызывают резкое уменьшение усилия в канате, что можно увидеть на графике. Так как колебания усилия в канате носят косинусоидальный характер,  после уменьшения нагрузки можно заметить, чего возникает второй «пик» наибольшей нагрузки, который в данном случае даже выше первого.

Если сравнить графики зависимости усилий в канате и график зависимости частоты вращения вала электродвигателя от времени при включенных одном и двух порогах (рис. 3), можно заметить, что различия существуют лишь во времени простоя электродвигателя, которое складывается из времени осреднения (мин 1000 мс), времени нарастания нагрузки от 30% до 45% и задержки сигнала. Принцип работы промежуточных порогов абсолютно одинаков, поэтому остановка груза происходит после срабатывания первого порога, после чего происходит добавление времени простоя, т. к. программа заново начинает отсчитывать время осреднения (мин 1000 мс) после срабатывания второго порога. Из этого можно сделать вывод, что на данном кране введение второго промежуточного порога не вызывает каких-либо качественных изменений зависимости усилий от времени при подъеме груза. Стоит также отметить, что промежуточные пороги никак не влияют на подъем груза весом меньше установленного значения этих порогов.

Рис. 3. Сравнение графиков усилий в канате и работы двигателя при подъёме груза с одним промежуточным порогом и с двумя

Далее было изучено влияние срабатывания первого и второго промежуточного порогов на динамические колебания усилий в механизме подъема.

Сравнение графиков усилий в механизме подъема от времени для случая срабатывания одного предварительного порога и для подъема груза без предварительного порога представлено на рис. 4.

Рис.4 Сравнение графиков зависимости усилий в канате и частоты вращения вала двигателя при подъёме груза весом 100% с включенным порогом и без него 

Из графиков зависимости усилий от времени при подъеме груза можно заметить, что отключение двигателя, которое происходит в момент времени, соответствующий нагружению механизма подъема на ~105% от веса номинального груза, положительно влияет на динамическую составляющую усилий в канате. Благодаря промежуточному порогу в данном случае (груз весом в 100%  от номинального — 1600кг) удалось добиться снижения  наибольшего значения усилия в канате на 6%.

         Время срабатывания t_ср напрямую влияет на возможность уменьшения динамики при включенном промежуточном пороге. Сравним аналогичные графики зависимости усилий  от времени при подъеме груза весом в 65% от номинальной грузоподъемности (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение графиков зависимости усилий в канате механизма подъема и частоты вращения вала двигателя от времени при подъёме груза массой 65% от номинальной грузоподъемности   с включенным порогом и без него 

Из данных  графиков можно заметить, что включение первого промежуточного порога никак не влияет на первый «пик» . На этом участке нет никакого эффекта от прибора в целом, так как время срабатывания постоянно для любого опыта, и система управления двигателем не успевает получить сигнал на выключение от прибора . Можно заметить, что торможение двигателя начинается лишь после первого «пика», о чем свидетельствует изменение  графика зависимости усилий в канате от времени начиная с момента отключения двигателя. Однако даже в этом случае наблюдается общее снижение динамики колебательного процесса по сравнению со случаем подъема груза, при котором предварительные пороги отключены.

         Сравнив  полученные данные и графики для случаев подъема груза с включенным промежуточным порогом для грузов массами 125, 100% и 65%  от номинальной грузоподъемности (рис.6), можно сделать вывод о том, что на сравнительно малых весах промежуточный порог и прибор в целом не обеспечивает снижение максимальных динамических усилий в канате, но при этом незначительно уменьшает динамику  всего колебательного процесса. Среднее снижение усилий в канате на интервале времени, соответствующем подъема груза и остановке двигателя, составило менее 1%.

Рис. 6. Сравнение графиков зависимости усилий в канате и частоты вращения вала  двигателя при подъёме грузов массами 125%, 100% и 65% от номинальной грузоподъемности с включенным предварительным порогом

Влияние промежуточного порога на первый «пик» будет иметь место только тогда, когда момент начала остановки двигателя наступит раньше достижения усилий в канате своего первого наибольшего значения (до первого пика на графике зависимости усилий .

Решением описанной выше проблемы было бы изменение настройки первого порога на более малые значения, например, на 20% от веса номинального груза. Однако в таком случае из-за постоянства времени срабатывания при подъеме груза недопустимой массы существует  вероятность неправильной работы алгоритма определения Qср на участке простоя двигателя, что, в свою очередь, приведет к отрыву груза от основания. Следует заметить, однако, что экспериментальным путем  было установлено, что значение первого промежуточного порога в 30% является оптимальным для корректной и безопасной работы ограничителя грузоподъемности со встроенным регистратором параметров ОГШ-2 на описанном выше лабораторном кране.

При подъеме груза весом 125% от номинальной грузоподъемности происходит полная остановка двигателя механизма подъема с запретом дальнейшего подъема. Как видно из рис.7, максимальная нагрузка в канате механизма подъема при подъеме груза массой 125% от номинальной грузоподъемности превышает допустимую на первом пике превышает допустимую на 9%. Однако срабатывание прибора происходит до момента достижения усилия в канате нагрузки  в 125% от веса номинального груза, что свидетельствует о том, что груз не был оторван от основания.

Таким образом, можно сделать следующие выводы относительно влияния промежуточных порогов на динамику усилий в канате:

1.     Промежуточные пороги необходимы для запуска алгоритма определения среднего усилия в канате механизма подъема.

2.     Второй промежуточный порог только увеличивает время простоя двигателя, что не дает никакого положительного эффекта на динамику.

3.     При подъеме груза весом 100% от номинального и более наблюдается снижение максимальной величины усилий в канате за счет торможения двигателя до того момента, как усилие в канате достигнет своего наибольшего значения . При подъеме номинального груза снижение максимального усилия составило 6%.

4.     При подъеме груза сравнительно малого веса (65% от номинального) снижения максимальной величины колебаний добиться не удается из-за наличия задержки системы управления двигателя после получения сигнала от прибора. Можно предположить, что начальный вес груза, при котором будет заметно влияние промежуточного порога на максимальный пик, составляет ~90% (см рис.7).

5.     Из п. 3 и 4 можно сделать вывод, что степень снижения максимальной нагрузки  с помощью промежуточного порога прямо пропорциональна весу поднимаемого груза, начиная с ~90%.

6.     Так же стоит отметить, что после осреднения нагрузки во время простоя механизма подъёма производится подъём груза с веса, что тоже создаёт динамические нагрузки, которые особенно заметны на больших весах.

7.     При подъеме груза 125% и дальнейшем запрете первый пик колебаний превышает допустимую нагрузку. Однако, нельзя сказать, что прибор оказывает негативный эффект на динамику в этом случае, так как в итоге ограничивает максимальный вес груза.

Рис.7. Схема изменения динамики усилий в канате при подъёме груза массы, близкой к номинальной с ограничителем грузоподъемности и без него

Литература:

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения. Утверждены приказом Ростехнадзора №533.

2. Иванов С. Д. Экспериментальное исследование динамических нагрузок на мостовой кран, оборудованный ограничителем грузоподъемности // Механизация строительства. 2015. №  2.