CC BY
70
УДК 621.873.1
Чан Дык Хиеу, асп., (4872) 33-22-88, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),
П. А. Сорокин, д-р техн. наук, проф., (495)236-48-25, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),
А. В. Редькин, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-22-88, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ СТАЦИОНАРНОГО БАШЕННОГО КРАНА ПО КРИТЕРИЮ УСТОЙЧИВОСТИ
Рассмотрена возможность модернизации системы безопасности стационарных башенных кранов путём введения управления на основе нечёткой логики с интегрированными датчиками направления ветра и крутящего момента и использования гидродинамической муфты.
Ключевые слова: башенный кран, безопасность, система управления, гидродинамические муфты, ветровые нагрузки, нечёткая логика.
Система обеспечения устойчивости башенного крана представляет собой разновидность стабилизирующей системы автоматического регулирования, задачей которого является поддержание значения управляемой величины в заданных пределах. В состав системы входят три основных компонента:
- задатчик - элемент, устанавливающий требуемый параметр процесса, закон его изменения или порядок воздействия сигналов в ходе технологического процесса, задатчик работает в асинхронном режиме обмена информацией с исполнительными устройствами;
- система обратной связи - с помощью этого звена на основании информации о значении управляемого параметра формируется управляющее воздействие, благодаря чему объект управления находится в состоянии, отвечающем поставленной цели управления;
- контроллер (и программное обеспечение к нему) - устройство для выполнения интерфейсных и операционных функций преобразования и передачи информации.
Очевидно, что обеспечение точности управления оператором-крановщиком исходя из показаний индикаторов весьма затруднительно, что обуславливает необходимость введения автоматической системы обеспечения устойчивости башенного крана в условиях сильных порывов ветра (рис.1). Постоянный контроль параметров, определяющих устойчивость крана, осуществляется совокупностью групп датчиков, сигналы с которых поступают на преобразователь с целью представления в удобную для обработки (как правило - цифровую) форму.
Сформированный таким образом информационный массив, характеризующий состояние системы, позволяет определить на основании не-
52
четкой модели устойчивости крана [1] текущее значение ветрового нагру-жения и состояния устойчивости. Исходя из этого, система формирует сигналы управления, обеспечивающие максимум быстродействия при соблюдении условий устойчивости.
Рис.1. Функциональная схема системы обеспечения устойчивости
Предполагается, что разработанная система обеспечения устойчивости башенного крана в условиях действия порывов ветра, устанавливается дополнительно к штатной, в связи с чем появляется возможность модернизации существующих конструкций с несущественной доработкой схем системы безопасности.
Система содержит: группу датчиков «Ветровое нагружение»; контроллер, содержащий программное обеспечение с возможностью корректировки и перепрограммирования алгоритма; аппаратуру управления устойчивостью.
До модернизации штатной схемы устройства безопасности, датчики положения стрелового устройства и скорости ветра подключались шиной обмена данными к микропроцессору крана. После модернизации устройства безопасности подключение осуществляется через контроллер, содержащий программное обеспечение с алгоритмами нечеткой логики [2]. Тем самым обеспечивается возможность выполнения функций автоматического регулирования устойчивости в условиях высоких ветровых нагрузок. Дополнительные интегрируемые датчики устанавливаются в зависимости от назначения и функционального применения.
Контроль скорости ветра осуществляется постоянно. При слабой скорости ветра, контроллер формирует сигнал о состоянии ветрового воздействия и направляет его на микропроцессор и далее на блок индикации. Функционирование интегрированной системы безопасности осуществляется отдельно от штатной и информация о скорости ветра и параметрах ветрового нагружения по каналу обмена данных передается на блок визуальной индикации. Так же происходит регистрация параметров скорости ветра в микропроцессоре.
При усилении скорости ветра и достижении средней скорости равной 24 м/с контроллер, оперируя данными датчиков положения стрелы, направления ветра и алгоритмом нечеткого управления для рабочего состояния, формирует предупреждающий сигнал об усилении скорости ветра и через микропроцессор данная информация выводится на блок визуальной индикации. В данном случае предполагается, что крановщик, получив информацию об усилении скорости ветра, предпримет действия по переводу крановой установки в нерабочее состояния согласно предписаний инструкции по эксплуатации.
В случае не выполнения данного требования и дальнейшего увеличения средней скорости, контроллер, анализируя положение стрелы относительно ветрового потока по данным датчиков «положения стрелы» и «направления ветра» производит корректировку положения стрелового оборудования в сторону с большим запасом устойчивости при помощи изменения жесткости кинематической связи тормоз - редуктор поворота башни.
В случае же возникновения опасных ускорений ветрового потока выполняется корректировка положения стрелы с помощью вспомогательного привода поворотной платформы. В связи с этим контроллер выдает соответствующие предупреждения на блок визуальной индикации, и также осуществляет корректировку положения стрелового устройства. Следует заметить, что программа автоматического регулирования устойчивости в рабочем состоянии позволяет производить корректировку положения стрелового устройства с грузами, максимальной массой, определенной паспортными данными.
В данном устройстве безопасности в подключенных параллельно друг другу основном и вспомогательном приводах поворотной платформы используются гидродинамические муфты постоянного заполнения.
Моделирование и исследование системы управления (СУ) приводами поворотной платформы проведено с помощью пакета Simulink программной среды MATLAB. Структурная схема системы управления приводами поворотной платформы башенного крана приведена на рис.2. Здесь элементы схемы "Step", "Stepl", "Step2", "Step3" - задающие входные сигналы от разработанной системы нечетких правил.
Рис.2. Структурная схема системы управления приводами поворотной платформы башенного крана
Составим передаточную функцию системы, описав следующие динамические звенья.
1. Электродвигатель вспомогательного привода поворотной платформы "dvig":
Wdv =
к
dv
Tdv +1
где ^
Зпл
0
30 М п
0,07 - электромеханическая постоянная времени двига-
теля, J - момент инерции вращающихся частей двигателя, приведенный к валу двигателя, п 0 - скорость холостого хода, М п - пусковой момент дви-2пп0
гателя, к
dv
и з
24,7 - коэффициент передачи двигателя, из- напря-
жение на входе.
2. Механический редуктор "reduc":
Кей = - = 0,005,
I
где /=208 - передаточное число редуктора.
3. Гидравлическая муфта '^¿готийа".
к,
W™ =
^т
т Т !1 +1
где Т,
V
gm
т 2 вз к 0
давление на входе.
0,25 с, Vgm2 - объем гидравлической жидкости, ВЗ -
4. Механическая крановая конструкция "transfer fon".
k
W = kcr
Wcr ^ , 1 ' lcrS +1
где Tcr - инерционная механическая постоянная времени, kcr —коэффициент передачи.
5. Звено обратной связи (ОС). Коэффициент усиления ОС моделируемой системы kos = 0,05 .
Результат моделирования переходного процесса СУ при единичном ступенчатом воздействии представлен на рис.3.
Step Response
Fronn: Step To: Transfer Fcn2
_I_I_I_U_I_I_
О 0.5 1 1.5 2 2.Б 3 З.Б
Time (sec)
Рис. 3. Переходная характеристика системы
Быстродействие СУ оценивают по времени окончания переходного процесса ¿рег при заданной допустимой ошибке. Время регулирования системы составляет ¿рег = 2,1 с.
Для определения устойчивости по критерию Найквиста построим логарифмическую амплитудно-фазовую частотную характеристику разомкнутой системы. Чтобы замкнутая система была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы сдвиг фазы на частоте единичного усиления разомкнутой системы не достигал значения - 180°. Если система условно устойчивая, то при модулях больших единицы, фазовый сдвиг может достигать значения -180° четное число раз. Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика системы показана на рис. 4.
56
Рис. 4. Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика системы
Запас устойчивости по амплитуде показывает во сколько раз (или, что то же самое, на сколько децибел) следует увеличить коэффициент усиления контура СУ, с тем, чтобы перевести ее на границу устойчивости. Таким образом, если усиление контура устойчивой СУ увеличится по каким-либо причинам меньше, чем на запас устойчивости, то СУ сохранит устойчивость. Запас устойчивости по фазе у показывает, какую дополнительную
фазу на частоте юср (см. рис. 4) следует внести в контур с тем, чтобы СУ оказалась на границе устойчивости.
Запасы устойчивости необходимы для того, чтобы качество СУ оставалось удовлетворительным даже в том случае, когда при моделировании, как это и бывает, не были учтены некоторые малозначительные элементы реальной системы. Кроме того, запасы устойчивости необходимы и для сохранения удовлетворительного качества СУ при влиянии на нее внешних факторов, которые не всегда можно учесть, например, изменения температуры и т.п. Запасы устойчивости (см. рис. 4) по фазе (у =440), по амплитуде (Ь = 19,5 дБ) означают, что данная система обладает достаточными показателями качества. Сигналы с датчиков крутящего момента, положения стрелового устройства и направления ветрового потока поступают в контроллер и анализируются. В зависимости от полученных результатов, формируются сигнал управления аппаратурой автоматического управ-
57
ления устойчивостью интегрированной в кинематическую схему механизма поворота с возможностью изменения жесткости. Тем самым обеспечивается постоянный контроль и управление устойчивостью стационарного башенного крана в условиях высоких ветровых нагрузок.
Список литературы
1. Сорокин П.А., Редькин А.В., Чан Дык Хиеу. Алгоритмы нечеткой логики в системе безопасности башенного крана // Строительные и дорожные машины, 2012, № 8. С.32-36.
2. Патент РФ 2426684. МПК8 B66 C 13/18. Устройство управления устойчивостью стационарного башенного крана / П.А. Сорокин, А.В. Редькин, Г.А. Жернаков, В.А. Обыденов. Опубл. 2011. № 23.
Chan Dyc Hieu, P.A. Sorokin, A. V. Redkin
AUTOMATION OF SAFETY SYSTEM STATIONARY TOWER CRANE BY STABILITY CRITERION
The possibility of upgrading the security system of stationary cranes with introducing a control based on fuzzy logic with integrated sensors of wind direction and torque and the hydrodynamic coupling.
Key words: tower crane, safety, control system, hydrodynamic couplings, wind loads, fuzzy logic.
Получено 15.10.2012
УДК 620.178.3
М.Ю. Репков, магистрант, (4872) 33-22-88, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.С. Дронов, д-р техн. наук, проф., [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
КОНЦЕПЦИИ НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ПРИ СТУПЕНЧАТЫХ НАГРУЖЕНИЯХ
Проанализированы результаты теоретических и экспериментальных исследований накопленной поврежденности при ступенчатых циклических нагружениях на всех стадиях усталостного разрушения конструкционных сталей. Выявлены влияния различных факторов на накопленную поврежденность и предложены принципы дальнейших исследований.
Ключевые слова: сталь, усталость, ступенчатые нагружения, поврежденность.
В большинстве случаев режимы работы машин в условиях эксплуатации переменны, вследствие чего амплитуды напряжений, оа изменяются во времени. Наиболее характерным являются нестационарные пусковые
58
