Устройство двухступенчатого торможения подъемно-транспортной машины

В заявке предлагается устройство, предназначенное для ликвидации продольных колебаний каната при торможении груза, поднимаемого машиной типа крана. Устройство содержит тормоза первой и второй ступеней, равные по величине тормозного момента, датчики массы и высоты подъема груза, программируемое реле времени и аналоговый функциональный преобразователь, вычисляющий на основе показаний датчиков полупериод продольных колебаний каната и включающий вторую ступень торможения по отношению к первой ступени с задержкой по времени на полупериод.

Предлагаемая полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к устройствам для осуществления ступенчатого торможения грузоподъемных машин типа кранов, клетьевых подъемников, лебедок и т.п.

Устройства, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, приведенное в описании к авторскому свидетельству СССР 931637, кл. В66В 1/32, 1982. Оно содержит датчики скорости и замедления механизма подъема, рабочий тормоз и регулятор давления, управляющий тормозом. Сигналы от датчиков (через задатчик интенсивности) поступают на регулятор давления, а тот, в свою очередь, ступенчато управляет моментом торможения механизма подъема. В результате существенно уменьшается инерционный выбег машины, снижаются динамические нагрузки в канате и вероятность его обрыва. Еще больше снижает динамические нагрузки устройство ступенчатого торможения подъемно-транспортных (грузоподъемных) машин, защищенное авторским свидетельством СССР 1733371, кл. В66D 5/26, 1992. Это устройство содержит тормоза первой и второй ступеней, насколько можно судить по его описанию, равных по величине тормозного момента. В нем имеются также датчик усилия и реле времени, подключенные к кинематической и электрической цепям управления тормозом первой ступени. При необходимости затормаживания машины срабатывает тормоз первой ступени, и реле времени начинает отсчитывать время, отведенное на первую ступень торможения. Одновременно с этим датчик усилия измеряет величину тормозного момента первой ступени торможения. Когда усилие достигает определенной, наперед заданной величины, сигналом от датчика через реле напряжения включается тормоз второй ступени. Примерно в это же время срабатывает реле времени, дополнительно гарантируя срабатывание тормоза второй ступени.

Данное устройство, так же как и предыдущее, повышает эффективность торможения и исключает большие динамические нагрузки в элементах машины, в том числе, в грузовом канате. Однако полностью динамические нагрузки в грузовом канате оно не ликвидирует. Это вызвано тем, что при включении тормоза первой ступени в канате возникают продольные колебания, а включение тормоза второй ступени с ними никак не связано и их уменьшению может способствовать, а может и не способствовать.

Вместе с тем, известны устройства двухступенчатого торможения подъемно-транспортных машин, почти гарантированно ликвидирующие продольные колебания каната, возникающие при включении тормоза первой ступени. Таковым, в частности, является устройство, защищенное патентом РФ 69054, кл В66 5/00, 2007, принятое за прототип. Устройство предназначено для двухступенчатого торможения машин для подъема груза.

Оно содержит тормоза первой и второй ступеней, равных по величине тормозного момента, и реле времени, подключенное к цепи управления тормозом первой ступени, а также датчик высоты подъема груза, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и сумматор, первый вход которого выполнен смещающим, а второй управляющим, реле времени выполнено программируемым, выход датчика соединен со входом усилителя, выход которого связан с управляющим входом сумматора, выход сумматора соединен с программирующим входом реле времени, а выход реле времени подключен к цепи управления тормозом второй ступени.

Работа устройства основана на том, что под действием силы веса Х груза, поднимаемого приводом подъема груза машины с помощью каната, последний испытывает деформацию У, описываемую дифференциальным уравнением

где m - масса поднимаемого груза, К - коэффициент внутреннего трения в канате, с - жесткость каната.

Решение этого уравнения показывает, что при резком торможении в канате возникают продольные колебания с периодом

Коэффициент внутреннего трения в канате К может быть представлен как r·m, где r - некоторый выраженный в 1/сек коэффициент, примерно постоянный для данного каната и определяемый экспериментально. Жесткость с может быть выражена как mg/S·l, где g - ускорение свободного падения, l - длина каната, а S - безразмерный коэффициент относительной жесткости, также примерно постоянный для данного каната и определяемый экспериментально. С учетом этого, период Т продольных колебаний каната при резком торможении можно выразить как

а полупериод t=T/2 как

Если взять наиболее реальные значения S=0,02 и r=15, то

При вычислении t при l, равном, например, 1÷6 м, получаются такие данные:

Но эти данные со средней погрешностью 5,2% могут быть аппроксимированы выражением

T=0,05+0,0885*l

или, в общем случае,

t=a+b*l.

То есть, при включении тормоза первой ступени, как следует из изложенного, в канате возникнут продольные колебания с полупериодом, который с точностью 5% можно считать равным

t=a+b*l.

Эти колебания как раз и ликвидирует прототип. После включения первой ступени он через время t включает вторую ступень торможения. Поскольку обе ступени равны по тормозному моменту, вторая ступень создает в канате также продольные колебания с полупериодом t. Но они будут смещены по фазе по отношению к колебаниям, вызванным первой ступенью, также на t. То есть, вторые колебания будут в противофазе с первыми. В результате те и другие взаимно уничтожатся и продольные колебания в канате исчезнут.

Перед использованием устройства его вначале настраивают. Для этого усилитель регулируют, устанавливая его коэффициент усиления равным «b», а на смещающий вход сумматора подают сигнал, равный «а». При подъеме краном груза датчик высоты подъема груза, работающий на вычитание, выдает сигнал, отображающий l=l _max-l_T, где l_max - расстояние от точки подвеса каната до земли, а l_T - текущая высота подъема груза над землей. Таким образом, датчик выдает сигнал, отображающий текущую длину грузового каната. Этот сигнал, поступая в усилитель, умножается на «b», a затем, поступая в сумматор, складывается с сигналом «а». На выходе сумматора появляется сигнал, отображающий t. Он поступает на программирующий вход реле времени и задает его время срабатывания. Последнее же реализуется по команде включения «вкл», подаваемой в цепь управления тормоза первой ступени. Когда эта команда подается, первая ступень включается и одновременно с этим реле времени начинает отсчитывать время t, которое было запрограммировано сигналом t в момент включения первой ступени. Отсчитав это время t, реле выдает сигнал включения второй тормозной ступени. Поскольку тормоза первой и второй ступеней по тормозному моменту равны, но продольные колебания каната, вызываемые их включением, смещены по времени на t, т.е. находятся в противофазе, то оказывается, что те и другие колебания взаимно уничтожают друг друга. Это повышает эффективность торможения груза, безопасность грузоподъемных работ и долговечность крана.

Как показывают, однако, опыт и специально поставленные эксперименты, устройство-прототип при всей его эффективности гарантирует ликвидацию продольных колебаний каната все-таки не полностью. Причина в том, что коэффициент S относительной жесткости и коэффициент r при построении устройства считались для данного каната постоянными. Это, тем не менее, имеет место лишь при достаточно малых и изменяемых в незначительных пределах значениях m. С увеличением же m и изменением его в широких пределах, S и r оказываются существенно непостоянными. Из-за этого расчеты по формуле (*) при изменении m, например, от 0 до 250 кг показывают, что вычисленные по ней значения t могут отличаться от реальных на 3-40%. Между тем, более точные результаты, все же, можно получить. Для этого формулу (*) следует заменить такой, которая следует из непосредственно измеренных данных о t при различных l и m. Так, для двухстропного многожильного стального каната с диаметром стропа 5 мм в диапазоне длин l=0,5-2,5 м и масс m=50-225 кг можно считать более приемлемой формулу

t=0,0285+0,0057*l+0,000114*m,

расчеты t по которой во всем диапазоне указанных l и m имеют среднеквадратичную погрешность (по отношению к реальному t), не превышающую 4%. Для других канатов свободный член и коэффициенты в этой формуле будут другими, но зависимость все равно будет иметь вид

t=a+b*l+c*m,

где a, b, с - для данного каната практически точно константы. Если построить устройство двухступенчатого торможения на основе последней формулы, то оно будет ликвидировать продольные колебания каната, возникающие при включении первой ступени тормоза, более надежно, чем прототип.

В связи с изложенным, задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего повышение надежности ликвидации продольных колебаний каната, возникающих при включении первой ступени торможения. Одновременно с этим ставится задача защиты машины от аварий при перегрузке привода подъема груза. Вместе то и другое составляют задачу создания устройства, обеспечивающего повышение эксплуатационной надежности подъемно-транспортной машины.

Достигается решение поставленной задачи тем, что устройство двухступенчатого торможения подъемно-транспортной машины, включающей в себя тормоза первой и второй ступеней, равных по величине тормозного момента, программируемое реле времени, подключенное к цепи управления тормозом первой ступени, датчик высоты подъема груза, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом датчика высоты подъема, и сумматор, первый вход которого выполнен смещающим, второй вход выполнен управляющим и соединен с выходом усилителя, а выход связан с программирующим входом реле времени, выход которого подключен к цепи управления тормозом второй ступени, дополнительно снабжено регулируемым пороговым элементом отключения привода подъема, датчиком массы поднимаемого груза, дополнительным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, сумматор снабжен дополнительным управляющим входом, выход датчика массы соединен со входом порогового элемента и со входом дополнительного усилителя, а выход дополнительного усилителя соединен с дополнительным управляющим входом сумматора.

На рисунке показана блок-схема предлагаемой полезной модели. На нем 1 - датчик высоты подъема груза, работающий на вычитание (по существу, это датчик длины каната), 2 - датчик массы поднимаемого груза, 3 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (его регулировочный вход обозначен «b»), подключенный к выходу датчика 1, 4 - дополнительный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (его регулирующий вход обозначен «с»), 5 - сумматор, первый (смещающий) вход которого обозначен «а», второй (управляющий) соединен с выходом усилителя 3, а третий (дополнительный управляющий) соединен с выходом усилителя 4, 6 - программируемое реле времени, программирующий вход которого связан с выходом сумматора 5, а выход - с цепью управления тормозом второй ступени 7. Кроме того, на рисунке показаны тормоз первой ступени 8, с таким же тормозным моментом, как и тормоз 7, подключенный к своей цепи управления, и подключение реле времени 6 к этой же цепи, а также регулируемое внешним настроечным воздействием «d» пороговый элемент 9 отключения привода подъема груза, вместе с усилителем 4 подключенный к датчику 2.

Перед использованием устройства его вначале настраивают. Для этого усилители 3 и 4 регулируют, устанавливая их коэффициенты усиления соответственно, равными «b» и «с», а на смещающий вход сумматора 5 подают сигнал равный «а» (значения «а», «b» и «с» априорно определяют экспериментально для данного каната). Пороговый элемент 9 настраивают сигналом «d» на предельно допустимое значение массы поднимаемого груза. При подъеме краном груза датчик высоты подъема груза 1, работающий на вычитание, выдает сигнал, отображающий l=l_max-l_T, где l_max - расстояние от точки подвеса каната до земли, а l_T - текущая высота подъема груза над землей. Таким образом, датчик 1 выдает сигнал, отображающий текущую длину грузового каната. Этот сигнал поступает в усилитель 3, умножается на «b» и, поступая в сумматор 5, складывается с сигналом «а». Одновременно с этим датчик массы груза 2 выдает сигнал, отображающий величину поднимаемой массы. Этот сигнал, поступая в усилитель 4, умножается на «с», а затем, поступая на сумматор 5, складывается с «а» и «b*l». На выходе сумматора 5 появляется сигнал, отображающий t. Он поступает на программирующий вход реле времени 6 и задает его время срабатывания. Последнее же реализуется по команде включения «вкл», подаваемой в цепь управления тормоза первой ступени 8. Когда эта команда подается, ступень 8 включается и одновременно с этим реле времени 6 начинает отсчитывать время t, которое было запрограммировано сигналом t в момент включения ступени 8. Отсчитав это время t, реле выдает сигнал включения второй тормозной ступени 7. Поскольку тормоза первой и второй ступеней по тормозному моменту равны, но продольные колебания каната, вызываемые их включением, смещены по времени на t, причем это время определено с учетом m, более точно, чем в прототипе, т.е. более точно находятся в противофазе, то оказывается, что те и другие колебания более надежно, чем в прототипе, уничтожают друг друга. Таким образом повышается надежность ликвидации продольных колебаний каната. Так как пороговый элемент 9 настроен на предельное значение поднимаемой массы, то при перегрузке привода подъема груза элемент срабатывает и отключает привод. Этим будет предотвращена авария. Надежная ликвидация колебаний груза и отключение привода подъема при перегрузке обеспечивают общее повышение эксплутационной надежности подъемно-транспортной машины.

Устройство двухступенчатого торможения подъемно-транспортной машины, содержащее тормоза первой и второй ступеней, равных по величине тормозного момента, программируемое реле времени, подключенное к цепи управления тормозом первой ступени, датчик высоты подъема груза, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом датчика высоты подъема, и сумматор, первый вход которого выполнен смещающим, второй вход выполнен управляющим и соединен с выходом усилителя, а выход связан с программирующим входом реле времени, выход которого подключен к цепи управления тормозом второй ступени, отличающееся тем, что снабжено регулируемым пороговым элементом отключения привода подъема, датчиком массы поднимаемого груза, дополнительным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, сумматор снабжен дополнительным управляющим входом, причем выход датчика массы соединен со входом порогового элемента и со входом дополнительного усилителя, а выход дополнительного усилителя соединен с дополнительным управляющим входом сумматора.