CC BY
51
УДК 631.313;
631.171 (075.132) [621.314: 729.7] (075.8) ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНОМОНТАЖНЫХ И ПОДЪЁМНО-ТРАНСПОРТНЫХ РАБОТ
П.С. Орлов1, JI.A. Голдобина2, А.П. Орлов3
13
’ Ярославская государственная сельскохозяйственная академия,
150043, г. Ярославль, Тутаевское шоссе, 58;
2Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, г. Санкт - Петербург, ул. Кавалергардская, д. 7
Аннотация - Приведены результаты исследований негативного влияния процесса раскачивания груза на грузовом подвесе при производстве строительно-монтажных и грузоподъемных работ; выполнен анализ существующих инженерно-технических решений по данной проблеме и предложена усовершенствованная конструкция привода ротора гироскопического успокоителя груза на канате строительного крана.
Ключевые слова: охрана труда, подъемно-транспортные машины и механизмы, гироскопическое устройство для гашения колебаний груза, униполярная электрическая машина.
TECHNICAL DECISIONS OF SAFETY BY MANUFACTURE OF CONSTRUCTION AND HOISTING-AND-TRANSPORT WORKS
P.S.Orlov, L.A.Goldobina, A.P.Orlov
Yaroslavl state agricultural academy, 150043, Yaroslavl, Tutaevsky highway, 58;
Sankt-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, street Kavalergardsky, д. 7 Summary - results of researches of negative influence of process of rocking of cargo on cargo подвесе Are resulted by manufacture of construction and load-lifting works; the analysis of existing technical decisions on the given problem is made and the advanced design of a drive of a rotor gyroscopic успокоителя cargo on a rope of the building crane is offered.
Keywords: a labor safety, hoisting-and-transport cars and mechanisms, the gyroscopic device for clearing of fluctuations of cargo, the unipolar electric ma-tire.
Развитие высотного строительства требует внедрения новых технологий с широким использованием подъёмнотранспортных машин, в том числе строительных кранов и подъемников.
Неустранимый колебательный процесс грузового подвеса в вертикальной и горизонтальной плоскостях приводит к снижению производительности крана за счёт увеличения времени, необходимого на наводку и точную посадку груза, при этом создавая опасные условия труда для монтажников и стропальщиков.
Авторами статьи на уровне изобретений было разработано ряд инженерно-технических решений, принципом действия которых является гироскопический эффект [1, 2, 3].
Задачей изобретений является повышение эффективности гашения колебаний и удобства эксплуатации устройства за счёт расширения их конструктивных особенностей.
Предлагаемое устройство для гашения колебаний груза, подвешенного на канате строительного крана [1], содержит асинхронный двигатель, вращающийся
относительно вертикальной оси, при этом его статорная часть жестко закреплена на валу, опирающемся через подпятник на подвесную скобу, в свою очередь жестко связанную с крюковой обоймой, а роторная часть, питание которой осуществляется через гибкий кабель и кольцевые токосъемники, закреплена в корпусе, опирающемся на вал через подшипники качения, причем выходной конец вала выполнен в виде замкнутой петли для навески груза; на валу установлен дополнительно асинхронный двигатель с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению первого асинхронного двигателя, на корпусах асинхронных двигателей жестко закреплены расположенные взаимно перпендикулярно в горизонтальной плоскости две пары металлических стержней, на которых с возможностью перемещения по ним установлены грузила, при этом датчик углового отклонения груза от вертикали через микропроцессорный блок управления соединен с асинхронными двигателями.
При сообщении оси устройства для гашения колебаний груза, подвешенного на канате строительного крана, в дальнейшем именуемому «устройство», принудительной прецессии ось «устройства» стремится кратчайшим путем установиться параллельно оси принудительной прецессии таким образом, чтобы направления векторов угловых скоростей «устройства» Й и раскачивающегося
каната со к совпали. Для чего «устройство» содержит два асинхронных двигателя, вращающиеся относительно вертикальной оси в противоположных направлениях. В зависимости от направления угла отклонения строительного каната, а вместе с ним и груза начинает вращение
совместно с валом вокруг вертикальной оси один из асинхронных двигателей, соединенный с датчиком углового отклонения груза от вертикали через микропроцессорный блок управления. Роторные части асинхронных двигателей, вращающиеся с частотой, значительно превышающей угловую частоту вращения самой оси (каната строительного крана), имеют большой момент инерции относительно своей продольной оси, и за счет возникающей противоположно направленной прецессии при вращении двух асинхронных двигателей в противоположных направлениях канат строительного крана с подвешенным на нем грузом стремится вернуться в исходное положение. С целью регулирования момента инерции роторной части к корпусам асинхронных двигателей жестко присоединены и расположены в горизонтальной плоскости взаимно перпендикулярно металлические стержни, на которых с возможностью перемещения по ним могут быть установлены грузила различной геометрической формы и весом, необходимым для создания нужного момента инерции.
Другим решением является гироскопическое устройство для гашения колебаний груза на канате строительного крана [2], которое позволяет осуществлять гашение колебаний груза прецессионными движениями ротора под действием прецессионных электродвигателей по командам блока управления. В устройствах, использующих стабилизирующие свойства гироскопов, ротор вращается с большой угловой скоростью и создает кинетический момент 1-П, необходимый для сохранения неизменного положения главной оси гироскопа, от величины которого зависят угловые скорости дрейфа оси гироскопа:
М.,
М'г =■
тр -X
л- +уг
г2
(1)
J-О. J О. где X - коэффициент момента сил трения, снижение которых повышает точность работы устройства [4].
Для приведения ротора гироскопа во вращение используются преимущественно электрические двигатели. Почти все из них имеют различные ограничения по числу оборотов ротора и на рабочем участке имеют жесткую характеристику, что приводит к практически релейному режиму возрастания тока машины при незначительном изменении числа оборотов. Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения теоретически не ограничены числом оборотов и имеют мягкую механическую характеристику, поэтому незначительное изменение числа оборотов ротора не приводит к резкому изменению крутящего момента и позволяет достаточно мягко и без «толчков» восстанавливать номинальное число оборотов гироскопа. Кроме того, парирование внешних возмущений кинетической энергией вращающегося с высокой скоростью маховика, не «накачивает» в колеблющуюся систему энергию, а рассеивает её, что способствует затуханию колебательного процесса.
Так как возрастание числа оборотов ротора двигателя осуществляется в моменты минимальных нагрузок (в промежутках между силовыми воздействиями прецессирующего гироскопа), то восстановление количества кинетической энергии вращающейся с большой скоростью массы не стимулирует усиления колебательных процессов. Сравнение удельных показателей электрических машин, показывает, что наиболее приемлемой машиной для привода гироскопического успокоителя груза является униполярная машина, так как ее энергетические показатели более чем в 10 раз пре-
восходят показатели существующих коллекторных машин. Кроме того, униполярные машины характеризуются низкой стоимостью, высокой эффективностью преобразования энергии, простотой конструкции, компактностью, низкими значениями собственной индуктивности и внутреннего сопротивления, что обеспечивает высокие показатели [5]. Несмотря на значительное преимущество и сравнительную дешевизну униполярных машин, они также не лишены недостатков, снижающих их эффективность и экономичность.
Кольцевой жидкометаллический токосъём усложняет и приводит к удорожанию машины. Жидкий металл оказывает коррозионное воздействие на кольцевые электроды. Применяемая для жидкостного токосъёма ртуть токсична, калиево-натриевая эвтектика чувствительна к влаге, сплавы галлия с индием и оловом ведут к повышенным гидродинамическим потерям. При отсутствии вращения ротора возникают сложности сохранения жидкого металла в зазоре между кольцами и вызванные этим затруднения с пуском. Жидкостный токосъём требует герметизации внутренней полости электрической машины и поддержания в ней повышенного давления инертного газа. При зональном струйном или многощёточном токосъёме появляются продольные составляющие МДС якоря, и пульсирующий магнитный поток в якоре, ухудшающие характеристики машины. Многощёточный токосъём усложняет щёточный аппарат и ведёт к недопустимым потерям на трение и электрическим потерям в контакте [6].
В целях усовершенствования униполярной машины авторами было предложено для отвода тока с якоря использовать двухсторонние твёрдые кольцевые щётки из антифрикционного материала высокой проводимости, контактирующие
с обеими боковыми поверхностями периферийной части якоря, а катушку возбуждения выполнить проводом из ферромагнитного материала [7] .
Применение твёрдых кольцевых щёток упрощает щеточный аппарат по сравнению с многощёточными твердыми токосъёмами и удешевляет электрическую машину по сравнению с жидкометаллическим токосъёмом. Твёрдый кольцевой токосъём позволяет получать по всему сечению якоря неизменный поток тока и исключает появление «жгутов тока». Отсутствие в якоре машины «жгутов тока» исключает продольные составляющие МДС якоря и пульсацию магнитного потока в якоре, снижающие КПД машины. Применение ферромагнитного материала для обмотки возбуждения удешевляет электрическую машину и позволяет снизить магнитный поток рассеяния. Съём электрического тока с обеих сторон ротора исключает осевое усилие, деформирующее ротор, уменьшает нагрузку на подшипники и позволяет повысить ток машины с дисковым ротором. Отсутствие деформаций диска ротора позволяет уменьшить диамагнитный зазор между ротором и статором, снизить магнитное сопротивление цепи и расход электрической энергии на создание магнитного потока машины. Щётки из антифрикционного материала высокой проводимости снижают потери на трение и электрические потери в контакте. Выполнение обмотки статора на его наружной поверхности снимает ограничения с сечения обмоточного провода статора, позволяя довести его сопротивление до сколь угодно малой величины и снизить потери в обмотке статора.
Твёрдые кольцевые щетки (1) из антифрикционного материала высокой проводимости снижают потери на трение
и электрические потери в контакте. Применение ферромагнитного материала (стали) для обмотки возбуждения (2) расположенной коаксиально на статоре (3) с дисковым (4) якорем, изготовленными из магнитомягкого материала, удешевляет электрическую машину, повышает тяговые характеристики, позволяет снизить магнитный поток рассеяния обмотки возбуждения (2) и снизить магнитное сопротивление в зазоре между полюсами статора (3) машины, в котором расположен якорь машины (4); двухсторонние твёрдые кольцевые щетки позволяют увеличить ток в машине и исключают осевые нагрузки на вал.
Рисунок 1. Схема электрической машины постоянного тока (а): 1 - кольцевые твердые щетки из антифрикционного материала высокой проводимости; 2 - коаксиальная катушка возбуждения из ферромагнитного материала; 3 - статор; 4 - цилиндрический полый якорь из магнитомягкого материала
Кольцевые щётки (1), исключают перемагничивание ферромагнитного материала дискового ротора (4), так как «шнуры» постоянного тока, текущие от периферийной части дискового ротора из каждой точки кольцевых щёток (1) не
меняют своего пространственного положения, сливаясь в токовую диафрагму, вращающуюся вместе с ротором, что снижает потери электрической машины и повышает ее коэффициент полезного действия. Контактирование кольцевых щёток (1) из антифрикционного материала высокой проводимости с обеими боковыми поверхностями периферийной части якоря, выполненного из магнитомягкого материала, снижает потери на трение и электрические потери в контакте.
2
Рисунок 2 - Схема электрической машины постоянного тока (б): 1 - кольцевые твердые щетки из антифрикционного материала высокой проводимости; 2 - коаксиальная катушка возбуждения из ферромагнитного материала; 3 - статор; 5 - дисковый якорь из магнитомягкого материала.
Отсутствие деформаций ротора позволяет уменьшить диамагнитные за-
зоры между ротором и статором (3), снизить магнитное сопротивление цепи и расход электрической энергии на создание магнитного потока машины. Выполнение обмотки (2) статора (3) коаксиаль-но на его наружной поверхности снимает ограничения с сечения обмоточного провода статора, позволяя довести сопротивление обмотки (2) статора (3) до сколь угодно малой величины и снизить потери в ней.
Литература
1. Голдобина Л.А., Шкрабак В.С., Лачуга Ю.Ф. и др. Устройство для гашения колебаний груза, повешенного на канате строительного крана. Патент РФ на изобретение № 2224708 от 27.02.2004 г.
2. Орлов А.П., Голдобина Л.А., Орлов П.С. Устройство для гашения колебаний груза, повешенного на канате строительного крана. Патент РФ на изобретение № 2280607от 27.07.2006 г.
3. Орлов П.С., Голдобина Л.А., Орлов А.П. Одноосный силовой гиростабилизатор. Патент РФ на изобретение № 2382331 от 20.02.2010.
4. Голдобина Л.А., Орлов А.П. Технические мероприятия обеспечения безопасности в сельском строительстве. // Вестник АПК Верхневолжья, № 3, 2008, С. 64 - 67.
5. Орлов А.П. Способы и пути безопасного использования техники в сельском строительстве // Сборник научных трудов по материалам международных научно - практических конференций «Инновационно - эффективный вектор развития АПК региона» и «Потенциал молодых в практику сельскохозяйственного производства». - Ярославль, 2010. - С. 118 - 126.
6. А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин, Б.Л. Алиевский, Н.В. Синева. Специальные электрические машины. - М.: Энергоиздат, 1982, С. 310 -311.
7. Орлов А.П., Голдобина Л.А., Орлов П.С. Электрическая машина постоянного тока. Патент РФ на изобретение № 2410825 от 27.01.2011 г.
1 Орлов Павел Сергеевич - д.т.н., доцент; профессор, зав. кафедрой, «Физика и электротехника» ЯГСХА, тел:. (4852) 55-72-54;
" Голдобина Любовь Александровна - д.т.н., профессор; профессор, зав. кафедрой «Техническая механика» СПбГУСЭ, тел. +7 (812) 680-08-61 , e-mail: [email protected];
3 Орлов Артем Павлович - соискатель, ЯГСХА, тел.: (4852) 55-72-54, е-m^il: [email protected].
