Система управления перемещением моста крана

Предложена система управления перемещением моста крана, содержащая один основной привод, осуществляющий перемещение, как первого, так и второго концов моста, и дополнительный привод, корректирующий положение моста в случае его смещений и перекосов. Осуществляется это путем использования механизма сложения перемещений типа дифференциала, который передает движение основного привода, поступающее на колеса одной опоры моста, колесам другой опоры и добавляет к нему корректирующее движение дополнительного двигателя. Корректирующее движение дополнительного двигателя формируется при этом электронной схемой, получающей информацию от датчиков перекоса моста.

Предлагаемая полезная модель относится к средствам механизации и автоматизации подъемно-транспортных работ и может быть использована в качестве системы управления тяжелыми мостовыми кранами в механических цехах машиностроительных предприятий, на металлургических заводах и т.д.

Системы управления перемещением моста крана, аналогичные предлагаемой системе, в настоящее время известны. Они включают в себя мост, установленный на параллельных рельсах с помощью колес, первый и второй приводы, размещенные на первом и втором концах моста и кинематически связанные с колесами, взаимодействующие, соответственно, с первым и вторым рельсами, тележку, оснащенную механизмом захвата и подъема груза, установленную на мосту с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам, задатчик управляющего сигнала, выполненный в виде пульта с контроллером, аппаратуру управления и коммутации, образующие единый блок управления, и электродвигатели. Пульт управления в них соединен с блоком управления, а последний подключен к двигателям, входящим в состав приводов моста. (А.Г.Яуре, Е.М.Певзнер. Крановый электропривод - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.43). При использовании системы оператор манипулирует пультом управления, включает и выключает приводы крана на определенное время и с помощью задатчика управляющего напряжения регулирует скорость электродвигателей привода моста.

Достоинством такой системы-аналога является ее относительная простота. Однако высокой точности управления мостом, такая система не обеспечивает. Не обеспечивает она и высокой надежности работы мостового крана. Это обусловлено прежде всего тем, что характеристики электроприводов моста не абсолютно одинаковы, а также тем, что колеса моста имеют не абсолютно равные диаметры. Указанные, а так же иные факторы, приводят к тому, что при работе мостового крана, мост зачастую движется по рельсам с перекосам.

Отмеченного недостатка в значительной степени лишена система управления электроприводами моста крана, описанная в статье «А.В.Щедринов, А.А.Коврыжкин. Системы автоматического управления электроприводами моста крана / Приборы и системы, управление, контроль, диагностика. 2009, 10, стр.6-9.» Предложенная в статье система управления содержит мост крана, установленный на параллельных рельсах с помощью колес, первый и второй приводы, размещенные на первом и втором концах моста и кинематически связанные с колесами, взаимодействующими, соответственно с первым и вторым рельсами, тележку, оснащенную механизмом захвата и подъема груза, установленную на мосту с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам, первый и второй датчики смещения колес моста относительно рельсов, установленные, соответственно, с передней и задней сторон моста, первый блок умножения, вход которого соединен выходом первого датчика смещения, первый компаратор, первый вход которого связан с выходом первого блока умножения (он умножает входной сигнал на два), а второй вход соединен с выходом второго датчика смещения, первый, второй, третий и четвертый задатчики напряжения, второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, а второй вход - с выходом четвертого задатчика, блок деления, первый вход которого, предназначенный для ввода делимого, связан с выходом второго блока умножения, а второй вход, предназначенный для ввода делителя, соединен с выходом второго задатчика, третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, а второй вход подключен к выходу блока деления, первый сумматор и второй компаратор, первые входы которых соединены с третьим задатчиком, а вторые входы подключены к выходу третьего блока умножения. Выход второго компаратора при этом подключен к управляющему входу первого электропривода, а выход первого сумматора - к управляющему входу второго электропривода.

При использовании этой системы, ее предварительно настраивают. Для этого с помощью второго задатчика в блок деления вводят напряжение, отображающее величину М_М+М_Т+М_ГМ , Где: М_М - масса моста, М_Т - масса тележки с механизмом захвата груза, М_ГМ - максимальная масса груза, транспортируемого краном. Далее с помощью четвертого задатчика во второй блок умножения вводят напряжение, отображающее М _М+М_Т+М_Г, где: М_Г - масса груза, который предстоит в настоящее время транспортировать. После этого с помощью первого задатчика во второй блок умножения вводят напряжение, отображающее некоторый коэффициент К, зависящий от рабочего напряжения системы и максимального перекоса моста, принципиально возможного при эксплуатации крана (его подбирают эмпирически). В результате настройки системы на второй вход третьего блока умножения будет подано напряжение, отображающее величину . Для включения системы в работу с помощью третьего задатчика на первые входы второго компаратора и первого сумматора подают напряжение, задающее требуемую скорость перемещения моста. Если в это время смещения и перекоса нет, то на выходе первого компаратора сигнал будет равен нулю, а значит, на выходе третьего блока умножения он тоже будет равен нулю. В результате на выходах первого сумматора и второго компаратора будет напряжение, заданное третьим задатчиком, и первому и второму приводам будет задано работать с одинаковой скоростью. Если при их работе смещений и перекосов моста не будет, то система и дальше будет работать именно так.

Если же при перемещении моста произойдет перекос моста или его смещение относительно рельсов, то будет иметь место следующее. Первый датчик смещения выдает сигнал X₁ а второй датчик смещения - сигнал X₂. Как отмечается в статье, описывающей рассматриваемый аналог, «разность X₁-X₂ пропорциональна угловому смещению опоры моста крана относительно рельса; величина X₁ - определяется при этом линейным смещением опоры моста относительно рельса. Таким образом, сигнал 2·X₁-X₂ обеспечивает одновременную коррекцию рассогласования угловых перемещений и поперечного смещения опор моста крана». Сигнал 2·X₁-X₂ поступает на вход третьего блока умножения, и это приводит к появлению на входе указанного блока корректирующего напряжения, отображающего .

Соотношение масс в дроби перед (2·X ₁-X₂) в этом выражении учитывает в напряжении на входе третьего блока умножения инерционность масс, перемещаемых приводами моста как часть максимально допустимой массы. То есть, это коэффициент, учитывающий фактическую инерционность перемещаемых масс, которую должны преодолевать приводы перемещения моста.

Как показали эксперименты, описанные в статье, где предлагается описанная система, учет инерционности масс, перемещаемых приводами моста, с помощью указанного коэффициента делает систему управления более устойчивой. Итак, при перекосе моста, и его смещении относительно рельсов, на выходе третьего блока умножения появится сигнал, пропорциональный угловому перекосу и смещению моста относительно рельсов и инерционности перемещаемых масс. Этот сигнал поступает на первый сумматор и на вычитающий вход второго компаратора. В результате напряжения, поступающие на приводы скорректируются. Коррекция будет зависеть от знака сигнала на входе третьего блока умножения. Если он отрицательный, то напряжение, поступающее на первый привод, увеличится, а на второй привод уменьшится, если положительный, то наоборот. Поскольку знак напряжения на выходе третьего блока умножения зависит от сигналов датчиков смещения, то коррекция скорости приводов произойдет в зависимости от этого знака, то есть, от направления и величины перекоса и смещения моста. Коррекция же скорости приводов приведет к уменьшению смещений и перекосов моста.

Система А.В.Щедринова и А.А.Коврыжкина обеспечивает более высокую точность и надежность работы мостового крана, чем другие системы - аналоги. Однако она, все же, ликвидирует перекосы и смещения моста крана не полностью. Одна из причин этого в том что, что она не учитывает влияния на перекос моста такого важного фактора как силы трения качения колес по рельсам. Между тем, силы трения качения электроприводам моста приходится преодолевать как силы инерции движущихся масс. Силы трения качения колес по рельсам зависят от распределения нагрузок на рельсы при работе крана. Указанное же распределение зависит от положения тележки на мосту. Это обстоятельство в рассмотренной системе не учтено, а потому она и не вполне ликвидирует перекос и смещение моста при работе мостового крана и не во всех производственных условиях обеспечивает требуемую точность и надежность крана.

Вместе с тем имеется система управления приводами моста крана, лишенная отмеченного недостатка. Она обеспечивает более высокую точность и надежность работы крана путем более эффективного устранения перекоса и смещения моста относительно рельсов за счет учета положения тележки на мосту крана.

Указанная система описана в работе «Либерман Я.Л. Современные системы автоматического устранения перекоса моста при эксплуатации кранов // Сб. докладов и сообщений Уральского конгресса ПТО - Екатеринбург: Уральский экспертный центр. 2012» и принята нами за прототип.

Система - прототип содержит мост, установленный на параллельных рельсах с помощью колес, первый второй приводы, размещенные на первом и втором концах моста и кинематически связанные с колесами, взаимодействующими, соответственно с первым и вторым рельсами, а также тележку, оснащенную механизмом захвата и подъема груза, установленную на мосту с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам. Она включает в себя также первый и второй датчики смещения колес моста относительно рельсов, установленные, соответственно, с передней и задней сторон моста, первый блок умножения, вход которого соединен с выходом первого датчика смещения, первый компаратор, первый вход которого связан с выходом блока умножения, а второй вход соединен с выходом второго датчика смещения. Помимо этого в ней имеются первый, второй, третий, четвертый задатчики напряжения, второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, блок деления, первый вход которого, предназначенный для ввода делимого, связан с выходом второго блока умножения, а второй вход, предназначенный для ввода делителя, соединен с выходом второго задатчика, третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, а второй вход подключен к выходу блока деления, первый сумматор и второй компаратор, первые входы которых соединены с третьим задатчиком, вторые входы подключены к выходу блока умножения, причем второго компаратора соединен с приводом, выход первого сумматора соединен со вторым приводом. Кроме того она снабжена датчиком массы транспортируемого груза, установленным на тележке, и датчиком положения тележки на мосту, выполненным в виде делителя напряжения, вторым сумматором, первый вход которого соединен с датчиком массы, второй вход связан с выходом четвертого задатчика, а выход подключен ко второму входу второго блока умножения, дополнительным задатчиком и дополнительным блоком умножения, выход которого соединен с шиной электропитания датчика положения тележки, первый вход связан с выходом второго сумматора, а второй вход связан с дополнительным задатчиком. При этом выходной канал сигнала, снимаемого с одного плеча делителя напряжения, подключен к третьему входу второго компаратора, а выходной канал сигнала, снимаемого с другого плеча делителя напряжения, подключен к третьему входу первого сумматора.

При использовании системы - прототипа ее предварительно настраивают. С помощью первого, второго и четвертого задатчиков в нее вводят сигналы, отображающие величину М_М+М_Т+М_ГМ, коэффициент К и величину М_М+М_Т. С помощью дополнительного задатчика вводят сигнал, отображающий некоторый коэффициент R. Этот коэффициент учитывает трение качения колес по рельсам, ускорение свободного падения g и рабочие напряжение системы, и аналогично коэффициенту К подбирается эмпирически.

Далее систему включают в работу. В начале с помощью механизма захвата и подъема груза, которыми оснащена тележка, поднимают подлежащий транспортированию груз. Датчик массы груза выдает сигнал, отображающий эту массу М_г, и вводит его во второй сумматор. На выходе этого сумматора появляется сигнал, отображающий М_М+М _Т+М_Г, а на выходе блока деления - сигнал , отображающий инерционность перемещаемых масс. Поскольку мост крана стоит в это время в исходном положении, когда ни перекоса, ни смещения моста еще нет, на выходе первого компаратора сигнал равен нулю. Когда приводы моста начнут работать, преодолевать сопротивление сил инерции и сил трения, мост начнет перемещаться. Если при этом произойдут смещение и перекос моста (а это, как уже отмечалось, зависит, в частности и от распределения нагрузок на колеса, т.е. от положения тележки на мосту) то появится сигнал коррекции, поступающий на второй компаратор и первый сумматор. Этот сигнал алгебраически сложится с сигналом, заданным третьим задатчиком и ему еще «помогут» сигналы, поступающие от датчика положения тележки. Поскольку положение тележки с грузом на мосту является одним из основных факторов, создающих смещение и перекос моста относительно рельс, т.е. является одним из основных возмущающих воздействий на систему, то дополнительные блоки системы и их соединения вводят в систему дополнительный канал управления по возмущению. Он используется совместно с каналом управления по отклонению, что обеспечивается путем прямого измерения смещения и перекоса моста. А известно, что комбинированное управления (по возмущению и отклонению) всегда точнее, чем только управление по отклонению. Таким образом, система - прототип более эффективно уменьшает смещение и перекоса моста, чем рассмотренные выше аналоги, что в большей степени обеспечивает точность перемещения грузов краном и надежность работы.

Несмотря, однако, на достоинства системы - прототипа, она все же, имеет и недостатки, основной из которых, состоит в том, что устраняя перекос моста при его перемещении путем управления по отклонению и путем управления по возмущению, в ней не исключается причина перекоса.

Как уже отмечалось, одной из главных причин перекоса моста является неодинаковость характеристик электроприводов первой и второй опор моста. Эту причину можно исключить, если вместо отдельных электроприводов опор (и всего моста в целом) сделать общий, от одного электродвигателя. Если этот двигатель кинематически связан и с первой, и со второй опорами, то вопрос о разности характеристик электроприводов отпадет. Перекос при перемещении моста будет меньше, хотя он все равно будет, поскольку кинематические погрешности передач от двигателя к колесам моста, неодинаковость диаметров колес и д.п. в таком случае останутся.

Задачей разработки полезной модели в связи с изложенным является создание такой системы управления перемещения моста крана, в которой привод перемещения моста осуществляется от одного электродвигателя кинематически связанного с первой и второй опорами моста (т.е. колеса первой и второй опор моста связаны кинематически, а не электрически), а перекос, обусловленный оставшимися причинами, устраняется с помощью датчиков измеряющих этот оставшийся перекос, и еще одного двигателя, но не перемещающего мост, а лишь корректирующего его положение.

Иначе говоря, задачей разработки предлагаемой полезной модели является практически полное устранение перекоса моста крана при его перемещении, а значит, дальнейшее повышение точности, надежности и безаварийности его эксплуатации.

Технически решение поставленной задачи достигается за счет того, что система управления перемещением моста крана, содержащая мост, установленный на параллельных рельсах с помощью колес, размещенных на первом и втором концах моста, первый привод кинематически связанный с колесами, размещенными на первом конце моста, второй привод, тележку, оснащенную механизмом захвата и подъема груза, установленную на мосту с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам, первый и второй датчики смещения колес моста относительно рельсов, установленные, соответственно с передней и задней сторон моста, первый блок умножения, вход которого соединен с выходом первого датчика смещения, компаратор, первый вход которого связан с выходом первого блока умножения, а второй вход соединен с выходом второго датчика смещения, первый, второй, третий и четвертый задатчики напряжения, второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, блок деления, первый вход которого, предназначенный для ввода делимого, связан с выходом второго блока умножения, а второй вход, предназначенный для делителя, соединен с выходом второго задатчика, третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй вход подключен к выходу блока деления, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, а выход соединен со вторым приводом, датчик массы транспортируемого груза, установленный на тележке, второй сумматор, первый вход которого соединен с датчиком массы, второй вход связан с выходом четвертого задатчика, а выход подключен ко второму входу второго блока умножения, отличается от прототипа тем, что она снабжена блоком дифференцирования, первый вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, а выход соединен со вторым входом первого сумматора, механизмом сложения перемещений, первый вход которого кинематически связан с первым приводом, второй вход кинематически связан со вторым приводом, а выход кинематически связан с колесами, размещенными на втором конце моста, при этом третий задатчик соединен с первым приводом.

На фиг.1 - показана схема предлагаемой системы, на фиг.2 - один из конструктивных вариантов механизма сложения перемещений, используемого в системе, в продольном разрезе, на фиг.3 - тот же механизм в поперечном разрезе.

Система содержит мост 1, установленный на параллельных рельсах 2, с помощью колес 3, размещенных на первом 4, и втором 5, концах моста, первый привод, кинематически связанный с колесами, размещенными на первом 4 конце моста (привод состоит и электродвигателя 6 с регулятором скорости, а его кинематическая связь с колесами осуществляется через редукторы 7 и 8), второй привод (он содержит электродвигатель 9 со своим регулятором), тележку 10, установленную на мосту 1 с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам 2, первый 11 и второй 12 датчики смещения колес моста относительно рельсов, установленные, соответственно с передней и задней сторон моста, первый блок умножения 13, вход которого соединен с выходом датчика 11, компаратор 14, первый вход которого связан с выходом блока 13, а второй вход соединен с датчиком 12, первый 15, второй 16, третий 17 и четвертый 18 задатчики напряжения, второй блок умножения 19, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика 15, блок деления 20, первый вход которого, предназначенный для ввода делимого, связан с выходом блока умножения 19, а второй вход, предназначенный для ввода делителя, соединен с выходом второго задатчика 16, третий блок умножения 21, первый вход которого соединен с выходом компаратора 14, а второй вход подключен к выходу блока 20, первый сумматор 22, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения 21, а выход соединен со вторым приводом (с регулятором двигателя), датчик массы транспортируемого груза 23, установленный на тележке 10, второй сумматор 24, первый вход которого соединен с датчиком массы 23, второй вход связан с выходом четвертого задатчика 18, а выход подключен ко второму входу блока умножения 19.

Наряду с перечисленным система снабжена блоком дифференцирования 25, первый вход которого соединен с выходом третьего блока умножения 21, а выход соединен со вторым входом первого сумматора 22, механизмом сложения перемещений 26, первый вход которого кинематически связан с первым приводом (в частности с редуктором 7), второй вход кинематически связан со вторым приводом (в частности с двигателем 9), а выход кинематически (через редуктор 27) связан с колесами, размещенными на втором конце 5 моста 1, при этом третий задатчик 17 соединен с первым приводом (с регулятором двигателя 6).

Двигатели 6 и 9, применение в системе, существенно отличаются друг от друга по мощности, т.к. первый (намного более мощный) служит для основного перемещения моста 1, а второй лишь для устранения перекоса моста. Все электрические элементы системы типовые и имеют общеизвестную конструкцию. Конструкция же механизма сложения перемещений оригинальна. Она представляет собой дифференциал и включает в себя следующие механические элементы: входной вал 28 (первый вход), кинематически связываемый с первым приводом (с его двигателем 6) через редуктор 7, входной вал 29 (второй вход), кинематически (через муфту 30) связываемый с двигателем 9, выходной вал 31, кинематически связываемый с колесами, размещенными на втором конце 5 моста 1 (эта связь осуществляется через редуктор 27). Вал 28 соединен с водилом 32, на котором закреплены конические зубчатые колеса 33. На валу 31 установлено такое же колесо 34, находящиеся в зацеплении с колесами 33. В зацеплении с этими колесами находится еще одно зубчатое колесо 35, соосное с валом 28. Это колесо жестко соединено с соосным с ним червячным колесом 36, в зацеплении с которым находится червяк 37, установленный на валу 29. Конструкция выполнена так, что бы во всех передачах отсутствовали люфты. В конических передачах люфты выбираются за счет подбора прокладок в опорах валов, а в червячной передаче - за счет разрезного червяка с подпружиненной половиной.

При использовании предлагаемой системы ее, подобно прототипу, предварительно настраивают. С помощью задатчика 16 в блок деления 20 вводят сигнал, отображающий величину М_М+М_Т +М_ГМ, с помощью задатчика 15 в блок умножения 19 вводят сигнал, отображающий коэффициент К, который подбирают эмпирически, с помощью задатчика 18 в сумматор 24 вводят сигнал, отображающий величину М_М+М_Т. Далее систему включают в работу. Вначале с помощью механизма захвата и подъема груза, которыми оснащена тележка 10, поднимают подлежащий транспортированию груз. Датчик 23 выдает сигнал, отображающий эту массу М_Г , и вводит его в сумматор 24. На выходе сумматора 24 появляется сигнал, отображающий М_М+М_Т+М_Г , а на выходе блока 20 - сигнал , отображающий инерционность перемещаемых масс. Поскольку мост крана стоит в это время в исходном положении, когда ни перекоса, ни смещения нет, на выходе компаратора 14 сигнал равен нулю, и на выходе сумматора 22 тоже. Вместе с этим на вход блока умножения 21 поступит сигнал, отображающий инерционность перемещаемых масс . Когда задатчик 17 подает сигнал на первый привод (на регулятор двигателя 6), мост начинает перемещаться. Если смещения и перекоса относительно рельсов не будет, то на регулятор двигателя 6 будет подаваться то же напряжение, а на регулятор двигателя 9 не будет. Если же смещение и перекос моста произойдут, то на входе блока умножения 21 появится сигнал коррекции, поступающий от компаратора 14. Этот сигнал усилится сигналом отображающим инерционность масс, который поступил туда от делителя 20. Результирующий сигнал поступит на сумматор 22. На этот же сумматор при работе системы поступает сигнал от блока дифференцирования 25. Он появляется сразу же, как только сигнал на выходе блока 22 начинает увеличиваться (по модулю). Чем быстрее происходит увеличение, тем больше сигнал на выходе сумматора 25. Получается, что на выходе сумматора 22 сигнал отображает и сами перекос и смещение моста, и скорость их «роста». Это приводит к тому, что двигатель 9 дифференциала 25 будет быстро возрастающие перекос и смещение моста корректировать быстрее. Осуществляться это будет так. Когда перекоса моста нет, входной вал 28 дифференциала, водило 32 и выходной вал вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью, так как входной вал 29 не вращается. Мост перемещается без коррекции положения. Когда перекос возникает, двигатель 9 начинает поворачивать вал 29, червяк 37 и червячное колесо 36. На выходном валу 31 вращение ускоряется или замедляется в зависимости от знака перекоса и его скорости, и перекос будет компенсироваться (устраняться).

Поскольку перемещение моста осуществляется одним первым двигателем, второй двигатель выполняет только корректирующие воздействие на мост, то причины перекоса и смещения моста при работе крана становятся меньше. Оказывается меньше и сам перекос. Кроме того, благодаря введению в систему элемента дифференцирования, компенсация перекоса происходит быстрее, чем в прототипе.

Таким образом, предложенная система управления перемещением моста крана более эффективно уменьшает перекос моста, чем прототип, что в большей степени обеспечивает точность перемещения грузов краном, надежность и безаварийность его работы. А это, в свою очередь, и составляет технический результат полезной модели.

Система управления перемещением моста крана, содержащая мост, установленный на параллельных рельсах с помощью колес, размещенных на первом и втором концах моста, первый привод, кинематически связанный с колесами, размещенными на первом конце моста, второй привод, тележку, оснащенную механизмом захвата и подъема груза, установленную на мосту с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам, первый и второй датчики смещения колес моста относительно рельсов, установленные соответственно с передней и задней сторон моста, первый блок умножения, вход которого соединен с выходом первого датчика смещения, компаратор, первый вход которого связан с выходом первого блока умножения, а второй вход соединен с выходом второго датчика смещения, первый, второй, третий и четвертый задатчики напряжения, второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, блок деления, первый вход которого, предназначенный для ввода делимого, связан с выходом второго блока умножения, а второй вход, предназначенный для делителя, соединен с выходом второго задатчика, третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй вход подключен к выходу блока деления, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, а выход соединен со вторым приводом, датчик массы транспортируемого груза, установленный на тележке, второй сумматор, первый вход которого соединен с датчиком массы, второй вход связан с выходом четвертого задатчика, а выход подключен ко второму входу второго блока умножения, отличающаяся тем, что она снабжена блоком дифференцирования, первый вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, а выход соединен со вторым входом первого сумматора, механизмом сложения перемещений, первый вход которого кинематически связан с первым приводом, второй вход кинематически связан со вторым приводом, а выход кинематически связан с колесами, размещенными на втором конце моста, при этом третий задатчик соединен с первым приводом.