Алгоритм процесса управления положением крюковой обоймы грузоподъемного крана

Бурый Григорий Геннадьевич - аспирант кафедры “Эксплуатация и сервис транспортнотехнологических машин и комплексов в строительстве” Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). Основные направления научной деятельности - Повышение

эффективности уплотнения дорожностроительных материалов, развитие теории интенсификации уплотнения упруго-вязких сред. Общее количество опубликованных работ: 13. email: coshperovsky@mail.ru.

УДК 621.86/.87

АЛГОРИТМ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ КРЮКОВОЙ ОБОЙМЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА

В. С. Щербаков, М. С. Корытов, А. Н. Шабалин

Аннотация. Предложен алгоритм процесса управления положением крюковой обоймы грузоподъемного крана-трубоукладчика в поперечной вертикальной плоскости, образованной линией гравитационной вертикали и линией, перпендикулярной оси траншеи. Приращения угла наклона стрелы и длины грузового каната позволяют обеспечить требуемый угол отклонения грузового каната крана-трубоукладчика от вертикали в поперечной плоскости при заданных значениях координат крюковой обоймы с грузом.

Ключевые слова: кран-трубоукладчик, крюковая обойма, координаты, грузоподъемный, грузовой канат, угол отклонения каната.

Введение

Проблема обеспечения эффективной и безопасной работы колонны из нескольких грузоподъемных кранов-трубоукладчиков (КТ) как сложной динамической системы при производстве строительно-монтажных, подъемно-транспортных и сварочных работ является актуальной. При этом необходимым условием выступает исключение ситуации потери устойчивости или опрокидывания отдельного КТ в составе трубоукладочной колонны. В то же время, нескольким КТ необходимо переместить в пространстве трубу большой или условно неограниченной длины, упруго деформируя ее ограниченный участок.

То есть в процессе движения трубоукладочной колонны необходимо непрерывное решение двух задач: 1) основная - не допустить превышения опрокидывающего момента на отдельных КТ (определяемого как произведение силы, приложенной к крюку отдельного КТ со стороны трубы на текущий вылет); 2) вспомогательная - обеспечить нужное расположение грузовых канатов отдельных КТ относительно гравитационной вертикали, вызывающее требуемую для перемещения трубы упругую деформацию ее ограниченного участка [1,2].

Указанные две задачи взаимосвязаны: первая выступает в качестве ограничения при решении второй. Если первая задача решается применением ограничителей грузоподъемности

КТ, то решению второй задачи до сих пор не было уделено значительного внимания.

Машинист КТ в настоящее время визуально определяет угол наклона грузового каната, вручную осуществляет подъем и опускание стрелы, корректирует смещение грузового каната от вертикали. Процесс этот достаточно трудоемок для ручного управления. Поэтому целесообразно использование системы автоматического управления (САУ) для решения задачи коррекции угла отклонения от вертикали грузового каната КТ. Создание САУ коррекции угла каната невозможно без изучения геометрических и кинематических характеристик рабочего оборудования КТ [1].

Коррекцию угла отклонения грузового каната КТ от гравитационной вертикали в продольной вертикальной плоскости, образованной линией гравитационной вертикали и осью траншеи, целесообразно осуществлять регулировкой скорости движения КТ вдоль траншеи и изменением длины грузового каната. Коррекцию угла отклонения грузового каната КТ от гравитационной вертикали в поперечной вертикальной плоскости, образованной линией гравитационной вертикали и линией, перпендикулярной оси траншеи, необходимо реализовать по более сложному алгоритму.

Описание алгоритма процесса управления положением крюковой обоймы грузоподъемного крана

В качестве параметров управления для САУ коррекции угла отклонения грузового ка-

ната КТ от гравитационной вертикали в поперечной плоскости выступают: приращение угла наклона стрелы КТ Да и приращение длины грузового каната ДLб на грузовом барабане (до грузового полиспаста, т.е. изменение расстояния между точками Е и F на расчетной схеме, рис. 1.). Были выделены 4 значимых фактора, влияющих на величину коррекции угла отклонения от вертикали грузового кана-

та КТ: начальное значение угла наклона стрелы ан, начальное значение длины грузового каната от оголовка стрелы до геометрического центра сечения трубы (ГЦСТ) Lн, начальное значение угла отклонения грузового каната КТ от вертикали в поперечной плоскости вн, конечное (требуемое) значение угла отклонения грузового каната КТ вк.

Рис.1. Расчетная схема для определения величин Да, ДL и ДLб при коррекции угла отклонения грузового каната КТ от вертикали в поперечной плоскости

Разработана расчетная схема для определения величин Да, ДL и ДLб при коррекции угла отклонения грузового каната КТ от вертикали в поперечной плоскости (см. рис. 1.). В качестве постоянных параметров для алгоритма коррекции выступали конструктивно заданные линейные и угловые размеры: длина стрелы Lc, расстояние от оголовка стрелы до полиспаста грузового каната 1б1, расстояние между осью вращения стрелы и бараба-

ном грузового каната 1б2, а также угловой размер 5 (см. рис. 1.).

Алгоритм коррекции заключается в последовательных вычислениях по следующим зависимостям:

Определяются декартовы координаты ГЦСТ от оси вращения стрелы КТ:

xгp=Lccos

При необходимости смещения трубы, либо в случае наличия некоторой функциональной зависимости @=^хгр, угр) произвольного вида, координаты груза хгр и угр после этого могут быть скорректированы на произвольные величины.

Далее определяется конечное значение длины грузового каната в виде положительного значения корня квадратного уравнения:

OD = >/ x% + y%

£=arccos

L = OD • cos(f + вк) + VOD2(cos2(f + pK)-1)+ L2C

и изменение длины грузового каната от оголовка стрелы до ГЦСТ:

AL=L„ - LH.

Затем определяется необходимое значение изменения угла наклона стрелы Да - и результирующее значение угла наклона стрелы ак:

OC= s\n(fiK)LK+xi

Aa=arccos

Для определения приращения длины грузового каната ДLб на грузовом барабане КТ (до грузового полиспаста) при определенной кратности полиспаста к, необходимо располагать не только значением изменения длины каната после полиспаста ДL, но и определить приращение геометрического расстояния ЕР

(см. рис. 1.), что осуществляется следующими последовательными вычислениями (нижние индексы н и к соответствуют начальным и конечным значениям размеров соответственно):

OFн = ;

ун=агс5т(1б1'5т(п/2- ан + вн) / 0Fн);

=д/+122-20Fн  162  сЫп/2-ан +/н +^);

0FK ;

ук=а^т(1б1^т(п/2- ак + вк) / 0FK);

Е^ =т!0^2 + 162 - 2  0^ ' |б2  С03(П2 - ак + 7к +^) .

После этого искомое значение ДLб определится как

ДLб= ДLk - ^н - EFK).

Таким образом, последовательное использование приведенных выражений позволяет получить две взаимосвязанные функциональные зависимости значений Да и ДLб от 4-х аргументов в виде уравнений геометрических связей

Да=^аш Lн, вн, вк); ДLб=f

На рис. 2...8 приведены некоторые результаты анализа функциональных зависимостей (6) и промежуточных значений, используемых при выводе Да и ДLб.

Рис. 2. Зависимость величины ДLб (приращения длины грузового каната до полиспаста на барабане) от приращения угла подъема стрелы КТ при начальных значениях ан=45°; Lн=6,25 м для различных сочетаний вн и вк в пределах вн=[-20°; 20°], вк=[-2о°; 20°]

' б«= -20

'-40 10 3 ЛО 0 ¡0 20 Да- град 40 *

Рис. 3. Зависимость приращения длины грузового каната от оголовка стрелы до центра трубы ДL от приращения угла подъема стрелы Кт при начальных значениях ан=45°; Lн=6,25 м для различных сочетаний вн и вк в интервалах вн=[-20°; 20°], вк=[-20°;

20°]

Рис. 4. Зависимость величины Да

д/3, град

Рис. 5. Зависимость приращения длины грузового каната от оголовка стрелы до центра трубы ДL от приращения угла Дв при фиксированной начальном значении вн=0° для различных сочетаний значений начальной и конечной длин каната Lн и Lк в интервалах Lн=[1; 10] м, Lк=[1; 10] м; начальном значении ан в интервале ан=[9°; 81°]

Рис. 6. Зависимость приращения длины грузового каната на барабане (до полиспаста) ДL6 от приращения угла Дв при фиксированной начальном значении вн=0° для различных сочетаний значений начальной и конечной длин каната Lн и Lк в интервалах Lн=[1; 10] м, ^<=[1; 10] м; начальном значении ан в интервале ан=[9°; 81°]

Рис. 7. Зависимости величины изменения длины канатов от оголовка стрелы до центра трубы в процессе коррекции угла наклона грузового каната для различных начальных значений угла наклона стрелы: а - при вк=Дв=-20°; б - при вк=Дв=20°

Рис. 8. Зависимости величины изменения длины канатов от оголовка стрелы до центра трубы в процессе коррекции угла наклона грузового каната для различных начальных значений угла наклона стрелы: а - при вк=Дв=-2°; б - при вк=Дв=2°

Заключение

Анализ полученных зависимостей позволил сформулировать следующие выводы: для реализации разработанного алгоритма коррекции угла отклонения от вертикали грузового каната крана-трубоукладчика, работающего в составе трубоукладочной колонны, необходимо применение САУ на базе бортовой вычислительной машины. Это обусловлено наличием достаточно сложных нелинейных зависимостей и переменных ограничений. В состав указанной подсистемы САУ необходимо включить следующие датчики первичной измерительной информации: датчик угла а наклона стрелы КТ, датчик

угла в отклонения грузового каната КТ от вертикали в поперечной плоскости, датчик длины грузового каната на барабане (до полиспаста) Lб. Последний датчик первичной информации может быть исключен из подсистемы САУ путем использования в алгоритме некоторого постоянного значения длины L, однако это приведет к систематическому накоплению погрешности угла в на каждом шаге коррекции, что иллюстрируют рис. 7. и 8. То есть нецелесообразно исключение 3-го первичного информационного параметра из рассмотрения, чему препятствует также переменный характер ограничений, накладываемых на значение L (см. рис. 7., 8.).

Библиографический список

1. Голдобина, Л. А. Теоретическое обоснование снижения раскачивания груза на канате строительного крана / Л. А. Голдобина, А. Н. Власов, А. Л. Бочков // Технико-технологические проблемы сервиса. - Санкт-Петербург: Санкт Петербургский государственный университет сервиса и экономики. -№16. - 2011. - С. 52-60.

ALGORITHM OF MANAGEMENT POSITION HOOKBLOCKS HOISTING CRANES

V. S. Shcerbakov, M. S. Korytov,

A. N. Shabalin

An algorithm for the management position the pipelay crane hook block in the transverse vertical plane defined by the gravitational vertical line and a line perpendicular to the trench. Increments of boom angle and length of hoist rope provides the required deflection angle load rope crane pipelay from the vertical transverse plane for given values of the coordinates with a cargo hook block.

Щербаков Виталий Сергеевич - д.т.н., профессор, декан факультета «Нефтегазовая и строительная техника» Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибА-ДИ). Основное направление научных исследований - совершенствование систем управления строительных и дорожных машин, общее количество публикаций - более 200, адрес электронной почты - sherbakov_vs@sibadi.org.

Корытов Михаил Сергеевич - к.т.н., доцент Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ). Основное направление научных исследований - автоматизация рабочих процессов мобильных грузоподъемных машин, общее количество публикаций - более 90, адрес электронной почты - kms142@mail.ru.

Шабалин Андрей - аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). Основное направление научных исследований - автоматизация рабочих процессов строительных и дорожных машин, общее количество публикаций - 6, адрес электронной почты - andrei-shabalin@mail. ги.