Скосырский Н.П., Даньшин В.В., Буданов Д.С. "Стенд для изучения принципов работы ограничителей грузоподъемности и регистраторов параметров работы кранов мостового типа"

Скосырский Николай Прокопьевич,  эксперт ЗАО «ИТЦ «КРОС»

Даньшин Виталий  Васильевич, эксперт ЗАО «ИТЦ «КРОС»

Буданов Дмитрий Сергеевич, эксперт ЗАО «ИТЦ «КРОС»

Стенд для изучения принципов работы ограничителей грузоподъемности и регистраторов параметров работы кранов мостового типа

Описывается лабораторный стенд, созданный на базе современного прибора безопасности кранов мостового типа.  Стенд позволяет реализовать функции ограничителя грузоподъемности и регистратора параметров работы, которые могут применяться на грузоподъемных машинах. Стенд предназначен как для ознакомления с реализуемыми функциями прибора при обучении наладчиков, так и для проведения исследований по совершенствованию самого приборов типа «ОГШ». Приведены описание и функциональная схема стенда, принцип работы и результаты обработки получаемой информации.

В последнее время, электронные приборы безопасности все  чаще и чаще внедряются  в конструкции грузоподъемных машин. Современные грузоподъемные краны оснащаются ограничителями грузоподъемности для защиты от аварийно-опасных ситуаций во время работы и  предотвращения воздействия нерасчетных. А для получения объективной долговременной информации о характере нагружения машины в процессе работы  – оснащаются  регистраторами параметров работы. Действующие нормативные документы Ростехнадзора [1,2]  регламентируют установку указанных выше приборов на грузоподъемные краны, а так же требования к конструкции и функциональному оснащению самих приборов.

В частности, «Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» (ПБ 110-382-00)  предписывают  установку регистраторов параметров работы на мостовые краны грузоподъемностью более 10т и группы классификации не менее А6 (краны тяжелого режима работы). При этом согласно требованиям РД 10-118-96, ограничителем грузоподъемности должны быть оборудованы все краны, предназначенные для выемки изделий из форм. Указанные выше условия эксплуатации соответствуют  условиям работы  большинства кранов мостового  типа, установленных на домостроительных комбинатах и других предприятиях, выпускающих изделия из железобетона для строительной отрасли.

В нашей стране имеется опыт создания и применения современных приборов безопасности, в том числе предназначенных для кранов мостового типа. Однако их эффективное применение сдерживается, в том числе по причине недостаточного уровня подготовки инженеров - разработчиков и отсутствия достаточного количества, обученных кадров в эксплуатирующих организациях.

В  последнее время существует тенденция, при которой эксплуатирующие организации, не имея обученных кадров для  проведения квалифицированного обслуживание или наладки современных приборов, считают приборы ненадежными и неэффективными. С другой стороны, производители грузоподъемной техники не готовы нести затраты для проведения работ по изменению конструкции выпускаемых грузоподъемных машин  для интеграции современных систем безопасности. Описанный выше конфликт приводит к тому, что  приборами безопасности комплектуется сравнительно малое число выпускаемых кранов мостового типа, а некоторое малое число кранов, находящихся в эксплуатации дооборудуется лишь в случаях, регламентированных действующими правилами. При этом приборы и, особенно, узлы встройки датчиков в конструкцию крана и коммутирующие линии не являются интегрированными, а приспосабливаются к существующей конструкции кранов. Данное обстоятельство в ряде случаев приводит к некорректной работе приборов и негативно сказывается на их долговечности, безопасности и надежности.

Для решения задач подготовки высококвалифицированных специалистов для конструирования и эксплуатации современных грузоподъемных машин, а так же исследований, направленных на совершенствование приборов безопасности, в учебном центре ЗАО «ИТЦ «КРОС»  совместно с лабораторией кафедры «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э.Баумана  разработан и создан специальный стенд.

Данный стенд  воспроизводит функции ограничителя грузоподъемности со встроенным регистратором параметров работы кранов мостового типа. Стенд используется совместно с имеющимся в лаборатории полноразмерным мостовым краном грузоподъемностью 2,0т и комплектом наборных испытательных грузов. Общий вид лабораторного оборудования представлен на рисунке 1. 

Рис.1 Общий вид стенда

При разработке стенда были поставлены следующие задачи:

- оборудование должно соответствовать по функционалу и конструкции, реально выпускаемым современным приборам безопасности, отвечающим требованиям действующих нормативных документов;

- Составные части прибора и связи между ними должны быть наглядно представлены;

- должна быть обеспечена легкость и быстрота адаптации оборудования к грузоподъемному крану, а также сохранена возможность использования крана без данного оборудования;

- должна быть предусмотрена возможность подключения внешних устройств для работы с программным обеспечением прибора  без необходимости использования грузоподъемного крана.

За основу для создаваемого стенда был выбран микропроцессорный ограничитель грузоподъемности со встроенным регистратором параметров ОГШ-2.4 И, выпускаемый ЗАО «Инженерно-технический центр «КРОС» г. Ивантеевка. Прибор предназначен для установки на краны мостового типа с одним механизмом подъема [3]. При создании стенда для решения описанных выше задач были применены следующие конструктивные решения.

Все составные части прибора, за исключением датчика нагрузки, смонтированы на переносном демонстрационном щите (рис.1). Данное решение позволяет наглядно представить всю конструкцию прибора и все его составные части, которые на реальных кранах расположены по всему крану.

В качестве датчика нагрузки используется тензометрический датчик накладного типа, устанавливаемый на холостую ветвь грузового каната. Усилие, создаваемое весом поднимаемого груза, передается на чувствительный элемент датчика  с грузового каната за счет небольшого перегиба последнего в узле встройки датчика. Расчетная схема узла приведена на рис.2.

Усилие, которое воспринимает датчик: можно определить по формуле:

N = Q/n h cos(a),

где Q – вес поднимаемого груза;

n – кратность полиспаста;

h - к.п.д. полиспаста;

a=arctg (B/2h) - угол перегиба грузового каната;

В – база узла встройки датчика нагрузки;

h – прогиб каната.

  Конструкция узла встройки обеспечивает возможности регулировки  угла перегиба грузового каната. В разработанном стенде датчик с узлом встройки устанавливают на специально изготовленном одноветьевом канатном стропе, который размещается между крюком крюковой подвески крана и  штативом наборного груза. Это решение позволило избежать трудоемкого процесса установки датчика нагрузки. При оборудовании крана прибором безопасности с подобным датчиком возможна его установка возле уравнительного блока полиспаста, находящегося на грузовой тележке в труднодоступном месте. Примененное при создании стенда решение позволяет установить датчик в силовую цепь механизма подъема путем накидывания стропа на крюк. Вопрос сохранения достаточной 

Рис.3. Функциональная схема стенда R – тензорезистор; ТУ – тензоусилитель; С – стабилизатор напряжения; П - энергонезависимая память; Ч – часы реального времени; Б – аккумуляторная батарея; ИБ – исполнительный блок; БС – блок сигнализации; БИ – блок индикации; ПО – программное обеспечение.

Коммутация прибора осуществляется через блоки зажимов герметичного исполнения и открытые клеммные колодки.

Блок питания состоит из модуля питания и исполнительный модуль. Модуль питания преобразует переменный ток с напряжением  220В и частотой 50Гц в постоянный ток с напряжением  24В. Модуль питания способен поддерживать бесперебойное питание прибора при пропадании напряжения сети в течение 1-3с. Такое решение и совместное использование с узлом питания микропроцессорного блока позволяет надежно защитить прибор от пульсаций напряжения, характерных для кранов с троллейным токоподводом. Исполнительный модуль состоит из двух реле - Р1 и Р2. Реле управления микропроцессорного блока Р1у определяет состояние силовых контактов реле исполнительного модуля (замкнуто, разомкнуто). Контакты Р1 подключаются в цепь управления механизма подъема. Контакты Р2 в данной модификации прибора не используются, однако могут использоваться для кранов с двумя грузовыми лебедками, грейферных кранов и приборов с функцией контроля ослабления грузового каната.

Блок индикации служит для передачи информации о работе ограничителя грузоподъемности крановщику, а также для диагностики прибора при техническом обслуживании. Блок индикации формирует звуковые и световые сигналы, описание которых приведено в таблице 1. Также блок индикации снабжен светодиодной полосой, свечение которой позволяет наглядно предоставить информацию  крановщику об уровне нагружения механизма подъема. Данная информация является справочной, поскольку прибор не является системой измерения веса и не подлежит метрологической аттестации.

Принцип работы ограничителя грузоподъемности заключается в получении сигналов от тензометрического датчика, их сравнении с установленными порогами и преобразование. При этом ограничитель грузоподъемности при превышении заданных значений сигнала (т.н. порогов)  выдает команду запрета подъема, передаваемую в цепь управления крана. Регистратор параметров производит обработку сигналов и сохраняет полученные оперативные данные в собственной энергонезависимой памяти, собирая таким образом долговременную информацию.

Настройка прибора производится с целью адаптации к реальным условиям нагружения в составе грузоподъемного устройства. Настройка заключается в запоминании прибором реальных уровней сигналов датчика, соответствующих нулевой и номинальной нагрузкам. Именно по этим двум точкам программа определяет реальный коэффициент пропорциональности между сигналом датчика и весом поднимаемого груза.

Таблица 1. Звуковые и световые сигналы блока индикации

Состояние крана	Индикация		Состояние прибора
	звуковая	световая
включение питания	кратковременное звучание зуммера	горит зеленый индикатор	прибор исправен, готов к работе
работа	сигналы отсутствуют	горит зеленый индикатор	нормальная работа
включение питания и работа	прерывистое звучание зуммера	горит красный индикатор	повреждение датчика нагрузки или линии связи
включение питания	непрерывное звучание зуммера	горит красный индикатор	обрыв линии питания датчика
подъем груза	кратковременное звучание зуммера	мигание красного индикатора	нагрузка достигла 80% от номинала
подъем груза	повторное кратковременное звучание зуммера	мигание красного индикатора	нагрузка достигла 100% от номинала
подъем груза	непрерывное звучание зуммера	горит красный индикатор	перегрузка крана

После установки порогов «нуль» и «единица» программа прибора производит обработку сигналов датчика в режиме реального времени и формирует необходимые команды для того, чтобы не допустить подъем груза весом более 125% от номинала. К таким командам относятся команды предварительного останова, отключающие механизм подъема на малые промежутки времени (менее 1с) с целью уменьшения динамических нагрузок в процессе подъема, и команда запрета подъема при превышении допустимой нагрузки.

Настройка и корректировка работы  прибора может производиться как с использованием сервисного оборудования (при подъеме груза), так и с персонального компьютера по расчетным значениям. Необходимое сервисное оборудование и программное обеспечение входят в комплект стенда. После проведения  настройки прибор проверяется при подъеме краном грузов известной массы. Нормальной настройкой является обеспечение работы крана с номинальным грузом Qном и запрет подъема испытательного груза 1,25 Qном, отрыва от основания которого не допустим.

Регистратор параметров хранит в собственной памяти идентификационную, оперативную и накапливающуюся долговременную информацию. Идентификационной информацией являются паспортные данные крана, сведения о типе и модификации  об установленных приборах безопасности и времени их установки. Оперативная и долговременная информация накапливается в памяти регистратора и являются результатом работы программы, обрабатывающей сигналы датчика нагрузки. Накапливаемая информация структурируется и представляется в виде характеристического числа и гистограммы распределения циклов программы прибора. При вызове данного раздела, программа выводит накопленные данные в виде зависимости количества циклов работы от уровня их нагрузки. Характеристическое число определяется по формуле:

K = å (Pn/P1)³,

где Рn- нагрузка в n-ом цикле работы крана; Р1- нагрузка порога «единица» (номинальная грузоподъемность).

Характеристическое число накапливается в памяти прибора в течение всей службы в составе крана. Информация регистратора параметров выводится в табличном и графическом виде. Пример представления накопленной информации представлен на рис.4.

Рис.4. Представление накапливаемой информации регистратора параметров

Оперативная информация о 32-х последних циклах работы является основой для построения графика изменения нагрузки в каждом из данных циклов с дискретностью  в 1с. Данная информация может быть использована для определения реальных динамических нагрузок, возникающих в процессе подъема груза.

Информация о срабатывании ограничителя на запрет подъема используют для выявления случаев нарушения правил эксплуатации крана. В память прибора записывается дата, время и реально действующая нагрузка, вызвавшая срабатывание ограничителя. Порог срабатывания ограничителя установлен в интервале 110-115% от номинальной нагрузки. С учетом задержки срабатывания исполнительных элементов системы управления крана (время отклика системы управления)  и выбега механизма подъема, именно при таком уровне  порога срабатывания обеспечивается невозможность перегрузки крана нагрузкой, превышающей 125% от номинальной. Поэтому в данном разделе хранятся случаи попыток подъема груза массой 110-125% от номинала.

В результате обработки данных регистратора параметров программа автоматически готовит отчет о работе крана за соответствующий период. Периодом может быть выбран либо весь промежуток времени с момента установки прибора на кран, либо с момента предыдущего снятия данных.

Созданный стенд с минимальными изменениями может быть адаптирован практически к любому грузоподъемному оборудованию, имеющему постоянную грузовую характеристику, например к электрическим талям, кранам мостового типа с одним, либо двумя механизмами подъема, кранам-штабелерам и т.д.  Подобная универсальность позволяет рекомендовать разработанный стенд для оснащения учебных и исследовательских лабораторий, специализирующихся на разработке грузоподъемной техники и ее компонентов.

Литература:

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила Безопасности Опасных Производственных Объектов, на которых используются подъемные сооружения»

2. Основные требования безопасности к ограничителям грузоподъемности электрических мостовых и козловых кранов (РД 10-118-96). Серия 10. Выпуск 58. – М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. – 12 с.

3. Приборы безопасности ЗАО «ИТЦ «КРОС». http// www.itc-kros.ru