авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Совершенствование системы защиты и контроля технического состояния крана мостового типа

На правах рукописи

Столяров Дмитрий Петрович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ И КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КРАНА МОСТОВОГО ТИПА 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2010 2

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно строительном университете

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Орлов Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ереско Сергей Павлович доктор технических наук, профессор Букреев Виктор Григорьевич Ведущая организация : НТЦ «Строймашавтоматизация» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 19 ноября 2010 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.265.03 при Томском государственном архитек турно-строительном университете по адресу – 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп. 4, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского госу дарственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «_» октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Клопотов А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В основных направлениях экономического и соци ального развития Российской Федерации на период до 2020 г. поставлена задача развития промышленности и строительства. Решение этой задачи, несомненно, связано с увеличением потребности в грузоподъемной технике.

Однако, как следует из представленных сведений Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России (далее Ростех надзор), на 2008 г. из 245 тыс. грузоподъемных кранов, находящихся в эксплуатации, 85 % отработали нормативный срок службы. Обновление парка производится крайне медленно - около 1 % в год, при норме в 8-10 %. Рост потребности в грузоподъемной технике увеличит интенсивность использова ния устаревшего парка машин, что, в свою очередь, повысит аварийность и травматизм при их эксплуатации. Поэтому вопросы оценки технического состояния и защиты крана от опасных эксплутационных воздействий приоб ретают важнейшее значение.

Система безопасности крана состоит из ряда приборов и устройств, ко торые осуществляют контроль опасных процессов в грузоподъемной машине при ее эксплуатации. Применяемые в настоящее время приборы контроля и защиты не всегда удовлетворяют современным требованиям. Согласно ин формации из отчетов Ростехнадзора за 2005 г. – 2008 г., наблюдается значительная доля аварийности и травматизма по причинам, связанными с приборами и устройствами безопасности. Аварийность по данной причине колеблется от 31,5 до 39,5 % от общего числа аварий на грузоподъемной технике, а доля смертельно травмированных по данной причине составляет 22,5 - 29,0 %. Поэтому разработке приборов контроля и защиты, новых мето дов диагностики технического состояния узлов, механизмов и металлических конструкций, а также их применению придается большое значение в системе Ростехнадзора.

В соответствии с пунктом 2.12.11 ПБ 10-382-00 краны мостового типа должны быть оборудованы регистраторами параметров их работы, которые согласно требованиям РД 10-399-01, фиксируют информацию о режимах работы крана. Накопленная информация позволяет определить фактическую наработку машины и ее остаточный ресурс. В то же время мало освещен вопрос использования информации регистратора параметров для оценки технического состояния ответственных узлов и механизмов крана.

Следует отметить, что выпускаемые в настоящие время промышленно стью приборы для кранов мостового типа имеют неунифицированные датчики усилия, так как тип датчика зависит от конструкции крана. Этот факт вызыва ет весьма ощутимую проблему применения датчиков при оснащении кранов, ранее неоснащенных приборами защиты и контроля, так как установка датчика не обходится без внесений изменений в металлоконструкцию крана. Наряду с этим приборы контроля и защиты не интегрированы в систему управления грузоподъемной машины, что позволяет эксплуатировать технику при неис правных приборах или их преднамеренной блокировке. Разработка системы управления, обладающей функциями контроля и защиты с одновременным решением проблемы применения датчиков усилия, требует новых подходов.

В связи с вышеизложенным, актуальным является разработка новых уст ройств и методов автоматического контроля технического состояния узлов и механизмов и совершенствование систем защиты кранов с расширением ее возможностей, интеграцией в систему управления, повышением надежности и снижением стоимости.

Объектом исследования является электрический грузоподъёмный кран мостового типа.

Предметом исследования являются выявление закономерности влияния эксплуатационных воздействий на электромеханические процессы приводного двигателя механизма подъема груза в статических и динамических режимах работы.

Цель работы - повышение безопасности и надёжности эксплуатации крана мостового типа на основе разработки интеллектуальной системы защи ты машины от опасных эксплуатационных воздействий с функциями ограничения грузоподъёмности, регистратора параметров работы и контроля технического состояния тормоза механизма подъёма.

Методы исследований:

- методы дифференциального и интегрального исчисления;



- математическое моделирование и программирование;

- экспериментальные исследования на натурном образце мостового кра на и испытательных установках.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель электромеханических процессов, протекающих в механизме подъема груза, которая позволяет исследовать влияние эксплутационных воздействий на электропривод с учетом упругих связей, демпфирующего эффекта и электромеханических потерь энергии.

2. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены воз можности: контроля технического состояния узлов и механизмов, определение наработки и остаточного ресурса крана мостового типа по рабочим характери стикам приводного двигателя механизма подъема груза.

3. На основании проведенных исследований, эксплуатационных воздей ствий на электромеханические процессы приводного двигателя механизма подъема, разработан способ ограничения грузоподъемности крана мостового типа, позволяющий не применять традиционные датчики усилия и повысить надежность системы защиты.

4. Разработаны методы регистрации параметров работы крана и автома тической диагностики технического состояния тормоза механизма подъема по электрическим характеристикам привода механизма подъема груза.

На защиту выносятся:

- математическая модель динамических режимов работы механизма подъема груза;

- разработанные способы и алгоритмы определения массы поднимаемого груза, ограничения грузоподъёмности, циклов нагружения крана и контроля величины тормозного момента тормоза механизма подъема и их реализации микропроцессорными устройствами;

- разработанные блок-схемы микропроцессорных систем защиты и кон троля, полностью отвечающих требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов ПБ 10-382-00 и обладающих дополни тельными диагностическими функциями.

Практическая ценность работы заключатся в том, что:

- определение массы поднимаемого груза по значению активной потреб ляемой мощности двигателя позволяет отказаться от традиционных датчиков усилия, повысить надежность системы защиты и контроля и упростить ее монтаж и обслуживание, расширить область применения системы и ее функ циональные возможности;

- разработанные методы автоматического контроля тормозного момента механизма подъема, основанные на мониторинге рабочих параметров привод ного двигателя, позволяют предупреждать аварии связанные с отказом тормоза, без использования дополнительных датчиков;

- разработаны алгоритмы и блок-схема микропроцессорного устройства, которое реализует функции ограничителя грузоподъемности, регистратора параметров работы крана без использования традиционного датчика усилия, дополнительно данное устройство имеет функции автоматического контроля величины тормозного момента тормоза механизма подъема и параметров питающей электрической сети.

- программная реализация разработанных методов (ограничения грузо подъемности, определения рабочих циклов для контроля остаточного ресурса крана и автоматического контроля состояния тормоза механизма подъема) на базе микропроцессорного устройства частотного управления электроприводом позволяет отказаться от дополнительных аппаратных средств и интегрировать в систему управления функции контроля и защиты;

- применение методов определения статического момента кранового электродвигателя привода механизма подъема и тормозного момента колодоч ного тормоза при их совместной работе на стенде приемочных и приемо сдаточных испытаний новых колодочных тормозов ТКГМ-300 и ТКГМ-400 и внедренного ОАО "Сибэлектромотор", позволяет сократить время проведения испытаний, осуществлять контроль тормозного момента и автоматизировать процесс испытаний.

Апробация работы. Основные результаты теоретических и эксперимен тальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях лесотехнического института и семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» и кафедры «Общая электро техника и автоматика» Томского государственного архитектурно строительного университета;

Международной научно-технической конферен ции "Интерстроймех 2006", Москва, 2006 г., 12 и 14 научно-практических семинарах "Приборы и системы безопасности грузоподъемных машин".

Адлер, НТЦ "Строймашавтоматизация", 2008 и 2010 г.г.

Публикации. Всего по данной тематике опубликовано 10 печатных ра бот, в том числе 4 патента и одна публикация в журнале, входящим в перечень ВАК.

Реализация работы. Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы на предприятии ОАО "Сибэлектромотор" при разработ ке и изготовлении стенда приемочных и приемо-сдаточных испытаний новых колодочных тормозов ТКГМ-300 и ТКГМ-400.





Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе, списка использованных источников из наименований и 2 приложений. Общий объем работы 171 с., в том числе основной текст - 161 с., приведены 76 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели проводимых исследований, научная новизна и практи ческая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, структура и объем работы.

В первой главе рассмотрены современные приборы безопасности кра нов мостового типа, применение которых регламентировано действующими Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-382-00). К таким приборам относятся:

- регистраторы параметров работы кранов;

- ограничители грузоподъемности;

- устройства защиты от падения груза при обрыве фаз питающей элек трической сети.

При рассмотрении особенностей современных комплексных систем безопасности и контроля серии ПС-80, ОГМК «МОСТ-1», «ВОЛНА» ОГМК 1-1, ОНК-140, ОНК-160М, ОГШ-1 и ОГШ-2 отмечено, что для опреде ления массы поднимаемого груза используются датчики усилия, имеющие механическую связь с кинематической схемой грузоподъемной лебедки и принцип действия которых основан на “непосредственном” измерении нагру зок, возникающих от действия веса поднимаемого груза. Эта особенность датчиков усилия определяет условия их работы – восприятие механических и атмосферных воздействий, что зачастую является причиной выхода их из строя.

В ходе обзора патентов и литературы на данную тему было выявлено существование приборов, основанных на косвенном методе определения массы поднимаемого груза m2 по рабочим характеристикам двигателя меха низма подъема. Принцип измерения массы груза m2 состоит в определении его по заранее снятой зависимости информационного параметра n2 (частоты вращения вала электродвигателя) от m2 (n2=f(m2)). Для измерения частоты вращения используется датчик Холла с постоянным магнитом, такой датчик не воспринимает механических воздействий. Создание приборов, основанных на предлагаемом способе, целесообразно осуществить на базе микропроцессор ного устройства с энергонезависимой перепрограммируемой памятью для хранения зависимости массы поднимаемого груза от информационного параметра. Одним из недостатков данного прибора является затруднительное использование совместно с регистратором параметров и в приводах с регули руемой скоростью подъема. Повышение надежности работы такого прибора можно осуществить при помощи резервирования информационных каналов о массе поднимаемого груза и использования других рабочих характеристик. С этой целью следует провести поиск новых информационных характеристик.

Известно, что применение регистратора параметров на кранах позволяет получить объективные данные о режимах его работы. При помощи информа ции, полученной из регистратора параметров, возможно не только определять фактическую наработку машины, но и выявлять причины отказов особо ответственных узлов и механизмов. Для осуществления автоматического контроля технического состояния узлов и механизмов регистратор параметров должен обладать дополнительной информацией и алгоритмами методик определения предаварийного состояния наблюдаемых объектов.

Одним из наиболее ответственных механизмов крана мостового типа яв ляется тормоз механизм подъема груза. Ненормальная работа или отказ тормоза может привести к аварийным и несчастным случаям. Автоматический контроль величины тормозного момента позволит избежать аварийных ситуа ций и повысить безопасность эксплуатации крана.

Проведенный анализ современного состояния автоматических систем контроля и защиты грузоподъемных кранов показал, что для разработки новых приборов контроля и безопасности, отвечающих современным требованиям и обладающих новыми техническими свойствами, необходимо провести теоре тические и экспериментальные исследования.

Во второй главе разработана математическая модель электромеханиче ских процессов привода механизма подъема груза, как наиболее информативного звена о величине момента, создаваемого тормозом, и массе поднимаемого груза. Механизм подъема груза электрического крана мостово го типа рассматривался как сложная электромеханическая система, в которой многомассовая механическая часть с упругими связями и электрическая часть в статических и динамических режимах влияют друг на друга.

Процессы преобразования энергии в асинхронном двигателе описывают ся уравнением электромеханического преобразования энергии, уравнениями равновесия моментов и уравнениями равновесия для напряжений контуров.

Для описания процессов происходящих в асинхронном двигателе в дан ной работе разработана его модель в неподвижной системе координат,,, позволяющая исследовать режимы работы двигателя при отклонениях пара метров питающей сети от номинальных значений.

Система дифференциальных уравнений, описывающая процессы элек тромеханического преобразования энергии в трехфазной асинхронной машине:

d 1 1 1 u s = rs i s + ( L s i s Mis Mis + Mir Mir Mir ) ;

(1) dt 2 2 2 d 1 1 1 = r i + ( L i Mis Mis + Mi Mir Mir ) ;

(2) u s s s dt s s 2 r 2 d 1 1 1 u s = rs is + ( Ls is Mis Mi + Mir Mir Mi ) ;

(3) 2 s 2 r dt 2 d 1 1 1 u r = rr ir + ( Lr ir + Mis Mi Mis Mi Mir ) + s 2 r dt 2 3 1 1 + ( Mis + ir ( Lr + M ) ir ( Lr + M ) Mis ) r ;

(4) 2 2 2 2 d 1 1 1 u = r i + ( L i Mis + Mi Mis Mir Mir ) + r r r dt r r 2 s 2 2 3 1 1 + ( Mis + ir ( Lr + M ) ir ( Lr + M ) Mis ) r ;

(5) 2 2 2 2 d 1 1 1 u r = rr ir + ( Lr ir Mis Mi + Mis Mir Mi ) + 2 s 2 r dt 2 r 3 1 1 + ( Mis + ir ( Lr + M ) ir ( Lr + M ) Mis ), (6) 2 2 2 2 гдеu s, ur – мгновенные значения фазных напряжений в обмотках статора и ротора;

i s, i r – мгновенное значение токов фаз статора и ротора;

М – взаимная индуктивность;

Ls,, Lr – индуктивность обмоток статора и ротора;

rs, rr – активное сопротивление обмоток статора и ротора.

Результирующие уравнение электромагнитного момента двигателя:

dr М2 = МF + J + MТ + M П = dt M[(i i + i i + i i ) (i i + i i + i i )], (7) =p s r s r s r s r s r s r МF где – момент от действия усилия в полиспасте F2, приведен ный к валу двигателя;

dr – момент сил инерции вращающихся масс M ИН ;

J dt MТ– тормозной момент;

MП– момент потерь электромеханической энергии в меха низме и двигателе;

p – число пар полюсов двигателя.

Крутящий момент, приведенный к валу электродвигателя от усилия в полиспасте F2,определялся как:

F2 Dб МF = 2u М, где Dб – диаметр грузового барабана, м;

– кратность полиспаста;

uМ – передаточное отношение механизма.

Момент сил инерции МИН вращающихся масс механизма, приведенный к валу электродвигателя, состоит из моментов сил инерции массы вала с рото ром и масс остальных валов механизма:

d d2 di М ИН = J1 1 + J 2 +... + J i, (8) u1 21 2 dt u1i1i dt dt где Ji – моменты инерции масс, расположенных соответственно на первом, втором и i-м валах;

di – угловые ускорения соответственно первого, второго и i-го dt валов;

u1-2 и 1-2– передаточное отношение и КПД между первым и вто рым валами;

u1-i и 1-i – передаточное отношение и КПД между первым и i-тым валами.

Потери электромеханической энергии в механизме и двигателе были уч тены при помощи момента потерь МП, приведенного к валу электродвигателя и определенного по формуле:

NП МП = 1, N П – мощность, затраченная на преодоление где электромеханиче ских потерь в механизме и двигателе и определяется экспериментальной функцией N П = f ( n2, F2 ), полученной на натурном образце крана мостового типа;

1 – угловая скорость вращения первого звена механизма (вала электродвигателя).

Математическая модель механической части основана на двухмассовой расчетной схеме крана мостового типа (рис. 1).

Масса m1 складывается из приведенной массы кранового моста и массы тележки, а масса m2 – из массы груза и крюковой подвески или грейфера.

Жесткость полиспаста обозначена через c2, а жесткость кранового моста – через c1 и зависит от положения тележки. Длина каната, намотанного на барабан обозначена как l, х1 и х2 – координаты моста и груза соответственно.

Коэффициенты демпфирующего усилия моста и каната обозначены, соответ ственно, как b1 и b2.

Демпфирующие усилие было принято как усилие пропорциональное скорости движения масс:

dx FД = bi i, dt где bi – коэффициент демпфирующего усилия.

Рис. 1 - Расчетная модель мостового крана Расчет механической части происходит в два этапа. На первом этапе происходит натяжение каната и прогиб моста, d 2 x1 dx ( b1 + b2 ) 1 + ( c1 + c2 )x1 = c2 l.

m1 (9) dt dt Второй этап начинается с момента, когда усилие в полиспасте F2 достиг нет величины m2g. Уравнение движения для второго этапа выглядит следующим образом:

d 2 x1 dx ( b1 + b2 ) 1 + ( c1 + c2 )x1 c2 x2 = c2 l ;

m dt 2 dt d ( x2 х1 ) (10) d 2 x c2 x1 + c2 x2 = c2 l m2 g.

b m2 dt 2 dt По этим уравнениям рассчитывается изменения перемещений и усилия, действующие в механизме подъема крана.

Расчет полученных уравнений математической модели был реализован в среде «MATLAB-Simulink». На рис. 2 в графической форме представлены результаты моделирования: пуска двигателя, подъема груза с подхватом, торможение и остановка механизма.

Разработанная математическая модель электромеханических процессов привода механизма подъема груза позволяет:

- исследовать динамические и статические процессы нагружения и ими тировать работу механизма подъема крана мостового типа;

- исследовать работу механизма подъема и его привода при отклонениях параметров питающей сети от номинальных значений;

- имитировать срабатывание системы безопасности и изучать происхо дящие при этом процессы;

- исследовать влияние времени растормаживания и величины тормозно го момента, передаточного отношения редуктора, кратности полиспаста и КПД звеньев на характер переходных процессов и характеристики механизма подъема.

Рис. 2 - Результат моделирования работы механизма подъема В третьей главе рассмотрены статические и динамические режимы ра боты механизма подъема груза при подъеме и опускании пустой крюковой подвески и грузов различных масс.

В результате теоретических исследований доказано, что о массе подни маемого груза можно судить по таким информационным параметрам как частота вращения ротора n2 и активная потребляемая мощность Р1. Приведен ные на рисунке 3 зависимости n2=f(m2) и P1=f(m2) имеют практически линейный характер, что позволяет построить их по двум точкам в памяти микропроцессорного прибора. Минимальное количество точек значительно упрощает процедуру настройки прибора на кране.

Исследования показали, что определение массы поднимаемого груза по активной потребляемой мощности не зависит от введенных в цепь ротора добавочных сопротивлений при регулировании частоты вращения электродви гателя таким способом, что позволяет не строить семейство зависимостей как при измерении массы груза по частоте вращения.

Реализация функции автоматического контроля тормозного момента требует определения величин характеризующих момент, создаваемый тормоз ным устройством и методик их определения. Для оценки момента, создаваемого тормозом, исследовались динамические режимы работы привода механизма подъема при разгоне и торможении.

Рис. 3 - Зависимости n2=f(m2) и P1=f(m2) для двигателя МТF 311- Величина тормозного момента влияет на время затормаживания tЗМ, по требленную энергию W1 и изменение скорости разгона n2 двигателя во время пуска. В ходе исследований разработаны три методики определения тормозно го момента по данным параметрам оценки.

1. Время затормаживания предложено определять при помощи частоты вращения ротора n2, для этого фиксируется время с начала процесса торможе ния (отключение электроэнергии) до полной остановки двигателя (n2= об/мин). При помощи математической модели была построена зависимость времени затормаживания механизма от величины тормозного момента при опускании пустой крюковой подвески (рис. 6).

2. В ходе проведения энергетического анализа работы привода было предложено определять тормозной момент путем расчета изменения значения потребляемой энергии двигателем W1 при пуске. Изменение потребляемой энергии двигателем W1 предложено определять следующим способом:

tY tY W1 = W1 НОМ W1 = W1 НОМ ( Р1 )dt = ( Р1 )dt, (11) 0 где – энергия и мощность, потребляемая двигателем при W1, P фактическом тормозном моменте (W1 равна пощади под кривой Р рис. 4);

W1НОМ, P НОМ – энергия и мощность, потребляемая двигателем при номинальном тормозном моменте (W НОМ равна пощади под кри вой P НОМ рис. 4);

tУ – время окончания переходного процесса при пуске дви гателя.

Рис. 4 – Формирование зависимости Р1 для определения W 3. Определить отклонение тормозного момента от номинального значе ния предложено по максимальной величине изменения скорости n2max разгона двигателя при пуске. Для этого требуется вычесть из зависимости n2 = f (t ), полученной при пуске двигателя и фактическом тормозном моменте, заранее построенную зависимость для данного механизма n2НОМ = f (t ), при номи нальном тормозном моменте, n2 = n2 n2, и определить максимальное НОМ значение получаемой функции n2max (рис. 5).

Рис. 5 – Формирование зависимости n2 = f ( t ) В ходе исследований при помощи расчета на математической модели были построены зависимости t ЗМ = f ( M Т ), W1 = f ( M Т ), n2 max = f ( M Т ) приведенные на рисунке 6.

Рис. 6 – Зависимости W1 = f ( M Т ), n2 max = f ( M Т ) и t ЗМ = f ( M Т ) Изучена степень влияния внешних факторов на рабочие характеристики привода как на информационные каналы о массе поднимаемого груза и момен те создаваемого тормозом. К таким факторам относятся:

- отклонение напряжения питающей сети;

- изменение частоты питающей сети;

- несимметрия питающего напряжения;

- температура двигателя.

Определена степень влияния данных факторов на точность измерения массы поднимаемого груза и величины тормозного момента.

Для повышения точности предложено при определении массы груза и оценке тормозного момента по заранее построенным зависимостям m2=f(i) и МТ=f(i), представлять их в виде:

m 2 = f ( i ) k U k f k t и М T = f ( i ) kU k f k t, (12) где i – информативный параметр или критерий, по которому опреде ляется m2 или оценивается МТ;

kU – коэффициент, учитывающий изменение напряжения питаю щей сети;

kf – коэффициент, учитывающий изменение частоты питающей се ти;

kt – коэффициент, учитывающий изменение температуры двига теля.

Исследования, проведенные в данной главе, позволили выявить наибо лее опасные условия работы привода, при которых следует произвести вмешательство в управление приводом. К таким режимам работы асинхронно го двигателя относятся:

- работа при пониженном напряжении;

- работа при повышенной частоте питающей сети;

- работа при несимметрии питающего напряжения, и как крайний случай неполнофазный режим работы.

При таких условиях работы увеличивается ток ротора и статора, что, в свою очередь, приводит к нагреву электродвигателя и, как следствие, ускоряет старение изоляции и сокращает срок службы двигателя. Для предотвращения таких нежелательных условий эксплуатации электродвигателя было предло жено расширить функции системы защиты путем осуществления контроля параметров электрической сети.

Для реализации функций регистратора параметров, ограничителя грузо подъемности и автоматического контроля тормозного момента на базе микропроцессорного устройства, был произведен анализ работы механизма в статических и динамических режимах.

В результате исследования статических режимов работы привода был предложен способ регистрации рабочего цикла крана при помощи зависимо стей активной потребляемой мощности и частоты вращения вала электродвигателя от массы перемещаемого груза (рис. 7-8).

Рис. 7 – Зависимость P = f ( m2 ) В ходе исследования зависимостей были выявлены две характерные точ ки А и Б (рис. 7-8). Эти точки характеризуют потребляемую активную мощность и частоту вращения вала электродвигателя во время подъема (А) и опускания (Б) пустого грузозахватного органа. Предложено следующее условие определения рабочего цикла: если при подъеме груза изменение информационного параметра Р1 и n2 соответственно начинается с точки А, то это означает начало рабочего цикла, а при опускании груза и достижении значения в точке Б будет означать конец рабочего цикла и полную разгрузку (m2=0).

Рис. 8 – Зависимость n2 = f ( m2 ).

Контроль тормозного момента по зависимостям W1 = f ( M Т ) и n2 max = f ( M Т ) возможен с момента пуска двигателя и завершения электро механических переходных процессов. Определение массы груза по зависимостям P = f ( m2 ), n2 = f ( m2 ), напротив, следует производить в установившемся режиме после разгона двигателя. Для разработки методики определения момента завершения переходных процессов исследовались динамические режимы работы привода.

В ходе исследований рассматривались (рис. 9): пуск на холостом ходу, пуск с предварительным натяжением каната, пуск под нагрузкой (с подвешен ным грузом).

В результате проведенного анализа зависимостей, представленных на рис. 9, было предложено определять момент завершения переходных процес dP dn сов при помощи величин и. Для этого требуется сопоставить данные dt dt P величины соответственно с пороговыми значениями k Н и k Н (уравнение 13).

n Пороговые значения будут определяться на кране экспериментальным путем в установившемся режиме работы двигателя в момент натяжения каната.

dP dn kН и 2 kН Р n (13) dt dt Рис. 9 – Зависимость n2=f(t) и P1=f(t) при разных режимах пуска Для снижения динамических нагрузок и повышения точности определе ния массы поднимаемого груза было предложено ограничивать скорость подъема груза при пуске двигателя, при нарастании усилия в канате и при подъеме грузов близких к номинальным. Предложенное решение позволит также минимизировать влияние выбега вращающихся масс при отключении механизма.

По результатам исследований динамических и установившихся режимов работы привода подъема были разработаны алгоритмы работы прибора комплексной системы защиты и управления крана. Условно, алгоритмы, были разделены на части (блоки):

- «обучение»;

- регистратора параметров и ограничителя грузоподъемности;

- система автоматического контроля тормозного момента;

- контроль питающей сети и температуры двигателя.

В программе «обучение» производится формирование зависимостей m2 = f ( n2 ), m2 = f ( P1 ) при помощи поднятия пустой крюковой подвески и груза известной массы, зависимостей M Т = f ( W1 ), M Т = f ( nmax ), M Т = f ( t ЗМ ) при помощи опускания пустого грузозахватного органа при номинальном тормозном моменте и ослабленным на известную величину.

Наряду с этим определяются значения характерных точек начала и завершения рабочего цикла, и значения предельных величин МТН и m2Н.

В процессе работы программы регистратора параметров и ограничителя грузоподъемности отслеживается пуск двигателя и завершение переходных электромеханических процессов, после чего производится определение массы поднимаемого груза по зависимостям m2 = f ( n2 ) и m2 = f ( P ). В моменты, когда происходит опускание груза или остановка двигателя, значение массы груза принимается по последнему определенному значению сохраненного в памяти. Одновременно с этим отслеживаются совершение рабочего цикла по характерным точкам. Если в процессе работы происходит превышение значе ния какой-либо пороговой величины, то формируется сигнал управления исполнительными устройствами.

Программа системы автоматического контроля тормозного момента от слеживает операцию опускания пустой крюковой подвески и определяет тормозной момент во время переходных процессов по зависимостям M Т = f ( W1 ) и M Т = f ( nmax ), а при торможении двигателя по M Т = f ( t ЗМ ). Если происходит снижение величины тормозного момента, то формируется сигнал управления исполнительному устройству.

При определении массы груза и величины тормозного момента получен ные значения корректируются в зависимости отклонения параметров электрической сети.

Во время работы осуществляется оценка качества электрической сети и температуры двигателя для защиты двигателя от нежелательных режимов работы.

Алгоритмы реализованы в среде «MATLAB-Simulink» с возможностью использования не только данных полученных в результате математического моделирования мостового крана, но и данных полученных в ходе эксперимен та на натурном образце.

В четвертой главе разработана структурная схема микропроцессорного прибора комплексной системы контроля (рис. 11) и конструкции датчиков.

В качестве датчика частоты вращения вала электродвигателя был при менен датчик Холла. Активную потребляемую мощность Р1 предложено вычислять по уравнению 14 с использованием мгновенных показаний датчи ков тока и напряжений питающей сети.

p = u A i A + u B iB + uC iC = P1 (14) где р – мгновенное значение активной мощности трехфазной электрической сети;

u A, u B, uC – мгновенные значения фазных напряжений электродви гателя, полученные с датчиков напряжений;

– мгновенные значения токов обмоток электродвигателя i A, iB, iC подъема, полученные с датчиков тока.

Применение разработанного прибора позволяет реализовать функции, такие как:

- ограничение грузоподъемности;

- контроль качества питающей сети;

- контроль температуры двигателя;

- защита от падения груза при обрыве хотя бы одной из фаз питающей сети;

- регистрация параметров работы крана;

- осуществление автоматического контроля тормозного момента;

- резервирование информационных каналов о массе поднимаемого груза и тормозном моменте.

Рис. 11 - Структурная схема микропроцессорной системы контроля Экспериментальные исследования влияния величины статического мо мента МС на валу двигателя на значение частоты вращения и активной потребляемой мощности при помощи нагрузочного стенда показали, что зависимости n2=f(МС) и Р1=f(МС) имеют линейных характер. Нагрузочный стенд представляет собой вывешенный на подшипниках двигатель (определе ние статического момента производилось при помощи рычага известной длины, прикрепленного к статору двигателя и динамометра), соединенный с валом генератора постоянного тока. Изменяя нагрузку на генераторе можно задавать статический момент на валу двигателя.

Для подтверждения возможности осуществления контроля тормозного момента были построены экспериментальные зависимости W1 = f ( M Т ), nmax = f ( M Т ) и t ЗМ = f ( M Т ). Полученные зависимости имеют сходство с расчетными на математической модели. Эксперимент проводился при помощи стенда приемосдаточных и типовых испытаний тормозов ТКГ-300, ТКГМ-300, ТКГ-400, ТКГМ-400, который представляет собой двигатель и тормоз, закреп ленные на жесткой раме, а для имитации инерционных масс на втором валу двигателя установлен маховик.

В результате экспериментальных исследований, проведенных на натур ном образце мостового крана МК-10 в лаборатории железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно строительного университета, получены следующие результаты:

1. Экспериментально определена зависимость мощности потерь элек тромеханической энергии в механизме и двигателе от частоты вращения вала электродвигателя и усилия в полиспасте N П = f ( n2, F2 ) крана МК-10 для использования ее в математической модели.

2. Осуществлена проверка адекватности математической модели реаль ному образцу путем сравнения полученных зависимостей активной мощности P1, частоты вращения вала электродвигателя n2 и усилия в полиспасте F2 от времени t. В ходе проведения эксперимента и моделирования аналогичных режимов работы наблюдается схожесть зависимостей и значений измеряемых величин.

3. Произведена проверка работоспособности разработанных методов и алгоритмов регистратора параметров и системы оперативного контроля тормозного устройства при моделировании их в среде «MATLAB-Simulink» с использованием экспериментальных данных. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность использования косвенных методов определения массы поднимаемого груза и регистрации рабочего цикла по частоте вращения и активной потребляемой мощности. Ошибка измерения массы по частоте вращения не превысила 3,7 %, а по активной потребляемой мощности – 1,1 %. Одновременно с этим подтверждена возможность автома тического контроля тормозного момента. Погрешность определения тормозного момента не превысила 0,8 % по времени затормаживания, 4,3 % по изменению потребленной энергии при пуске двигателя и 6,25 % по макси мальному изменению частоты вращения вала при пуске двигателя.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В соответствии с поставленной целью диссертационной работы прове дены теоретические и экспериментальные исследования для разработки системы защиты и контроля технического состояния крана мостового типа.

Основным результатам научных исследований, выполненных автором, явля ются:

1. Установлено, что перспективным направлением развития систем за щиты кранов является разработка комплексных микропроцессорных систем безопасности с возможностями автоматического контроля ответственных узлов и механизмов.

2. Разработана математическая модель электромеханических процессов, протекающих в механизме подъема груза крана мостового типа, которая позволяет исследовать работу механизма с учетом жесткости моста и каната, демпфирующего эффекта, электромеханических потерь энергии и сложного характера изменения электромагнитного момента приводного двигателя.

3. Теоретически и экспериментально доказана возможность использова ния электромеханических характеристик приводного двигателя механизма подъема для определения массы поднимаемого груза и контроля технического состояния тормоза по величине тормозного момента. Установлена степень влияния на точность измерения массы поднимаемого груза и тормозного момента "косвенными" способами, внешних воздействий, таких как: темпера тура работающего двигателя, отклонение частоты и напряжения питающей сети от номинальных значений. Разработана методика учета этих факторов.

4. На основании проведенных исследований разработаны методы опре деления массы поднимаемого груза и величины тормозного момента механизма подъема. В результате исследования режимов работы механизма подъема разработаны и экспериментально проверены алгоритм работы и структурная схема микропроцессорного прибора, основанного на данных методах. К дополнительным функциям этого прибора, кроме ограничения грузоподъемности, регистратора параметров и автоматического контроля тормозного момента, относятся контроль качества питающей сети, защита от падения груза при обрыве хотя бы одной из фаз питающей сети, защита двигателя от перегрева, регулирование скорости подъема в зависимости от массы поднимаемого груза m2. В результате по данной тематике получено четыре патента. Наряду с этим, применяемые на данный момент микропроцес сорные устройства частотного управления двигателем имеют достаточный комплект датчиков и схожую структуру с созданной в данной работе блок схемой устройства, что позволяет программно реализовать разработанные функции безопасности на его базе. Такой подход способствует интегрирова нию в систему управления функции безопасности без дополнительных аппаратных средств.

5. Повышение надежности системы защиты и контроля возможно за счет применения более простых по конструкции датчиков, расположенных в легкодоступных местах, позволяет облегчить их монтаж и техническое обслу живание, а также за счет резервирования информационных каналов о массе поднимаемого груза и о величине тормозного момента механизма подъема.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Защита грузоподъемного крана на основе мониторинга параметров электропривода механизма подъема / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Ю.Н. Дементьев, Г.И. Однокопылов, Д.Ю. Орлов, И.Г. Однокопылов // Извес тия Томского политехнического университета.- Том 312.- №4.- Томск.:

Издательство ТПУ, 2008.- С.119-124.

Патенты:

2. Патент №2354604 на изобретение, МПК В66С 23/90, В66С13/16. Спо соб ограничения грузоподъемности крана мостового типа / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов, Г.И Однокопылов, И.Г. Однокопылов. №2007141135;

Заявл. 06.11.2007;

Опубл. 10.05.2008.

3. Патент №74378 на полезную модель, МПК В66С 23/90. Устройство защиты и ограничения грузоподъемности электрического крана / Д.П. Столяров, Г.И Однокопылов, И.Г. Однокопылов, Ю.А. Орлов, Д.Ю.

Орлов.-№2008101187;

Заявл. 9.1.2008;

Опубл. 27.06.2008.

4. Патент №73322 на полезную модель, МПК В66С 23/90. Устройство защиты крана от перегрузки / Д.П. Столяров, Г.И Однокопылов, И.Г. Однокопылов, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов,. -№2008100800;

Заявл. 9.1.2008;

Опубл. 20.05.2008.

5. Патент №72216 на полезную модель, МПК В 66 23/90. Ограничитель грузоподъемности электрического крана / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов,. -№2007142845;

Заявл. 19.11.2007;

Опубл. 10.04.2008.

Прочие:

6. Столяров, Д.П. Способ ограничения грузоподъемного крана мостового типа / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов, Р.Н. Кахиев. // Сборник научных трудов Лесотехнического института. – Вып. 4. - Томск. Издательство ТГАСУ, 2009. – 187с.

7. Столяров, Д.П. Система защиты крана мостового типа от опасных производственных воздействий / Д.П Столяров, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов.// Международная научно-техническая конференция, Интерстроймех 2006./ Сборник материалов. М. 2006.

8. Столяров, Д.П. Математическая модель механизма подъема крана мос тового типа / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов, // Сборник научных трудов Лесотехнического института. - Вып. 3. - Томск.: Издательство ТГАСУ, 2008.- С.42-48.

9. Мониторинг параметров приводного двигателя механизма подъема электрического крана / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Г.И. Однокопылов, Д.Ю. Орлов, И.Г. Однокопылов;

Томск гос. архит. – строит. ун-т., Томск, 2008.

– 11 с. – Библиогр.: 8 наз.,- Рус. Деп. в ВИНИТИ 04.05.08 № 377-В 10. Столяров, Д.П. Регистраторы параметров работы крана мостового типа / Д.П. Столяров, Ю.А. Орлов, Д.Ю. Орлов // Сборник тезисов двенадцато го научно-практического семинара по приборам и системам безопасности грузоподъемных машин. М.: НТЦ «Строймашавтоматизация» 2008 г.

Подписано в печать _.

Формат 6084 1/16. Бумага офсет. Тираж 100 экз. заказ № _.

Изд-во ТГАСУ. 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.