ГРУЗОПОДЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ НАГРУЗКИ
HOISTING DEVICE WITH EXPANDED RANGE OF LOADS

Грузоподъемные устройства и краны имеют такие размеры, что действующие на конструктивные элементы силы лежат внутри безопасного диапазона, т.е. отказ по здравому смыслу исключается.
При этом различают статичные и динамические силы. Статичными силами являются силы, которые возникают, когда груз висит на грузозахватном средстве неподвижно или движется с постоянной скоростью. Динамические силы возникают, когда скорость, с которой груз перемещается с помощью грузозахватного средства, более или менее резко изменяется. Наиболее быстрое изменение происходит, когда груз поднимается с опоры, или еще более критично, когда движение груза необходимо резко останавливать в аварийной ситуации. При этом остановка происходит при возможно максимальной моментальной скорости. Возникающие при этом пики нагрузки являются чрезвычайно большими.
Исходя из этого, задачей изобретения является создание нового грузоподъемного устройства, в котором учитываются зависящие от скорости динамические силы.
В новом грузоподъемном устройстве, которое может быть, возможно, составляющей частью крана, и тем самым в кране согласно изобретению используется то обстоятельство, что при небольшой скорости подъема допустимы большие нагрузки, чем нагрузки, допустимые при нормальной скорости, которые не приводят к вызываемым состояниями перегрузки колебаниям. Поэтому можно, например, в грузоподъемном устройстве, которое работает с двумя различными скоростями, а именно нормальной скоростью и замедленной скоростью, поднимать больший груз, если обеспечивается, что может быть включена лишь замедленная скорость. Это может быть достигнуто за счет того, что соответствующее управляющее устройство самостоятельно выполняет соответствующее ограничение, или же за счет вмешательства извне блокируется более высокая скорость, и тем самым включается другое предельное значение нагрузки.
В частности, новое грузоподъемное устройство содержит редукторный двигатель, который может работать по меньшей мере с двумя различными скоростями. Одна из обеих скоростей является более медленной скоростью, в то время как другая скорость является более высокой скоростью.
С редукторным двигателем через приводное средство соединено линейное грузозахватное средство, на котором висит подлежащий перемещению груз.
Кроме того, предусмотрен датчик нагрузки, который предназначен для измерения веса висящего на грузозахватном средстве груза. Такой датчик нагрузки известен, например, из DE 19645812 С1.
Редукторный двигатель соединен с управляющей схемой, к которой подключен датчик нагрузки. С помощью управляющего устройства осуществляется управление скоростью подъема редукторного двигателя. Управляющее устройство выполнено так, что оно ограничивает скорость подъема медленной скоростью подъема, когда измеренный вес груза превышает заданное предельное значение.
С помощью другого предельного значения можно затем задавать, выполняется ли вообще подъем груза или же движение подъема остается заблокированным.
Таким образом, согласно изобретению применяется по меньшей мере одно предельное значение, которое определяет, можно ли работать с высокой скоростью подъема или нет.
В простейшем случае это может означать, что в грузоподъемном устройстве с двумя скоростями подъема предусмотрены два предельных значения. Более низкое из обоих предельных значений определяет, можно ли осуществлять переключение с медленной скорости подъема на высокую скорость подъема. Более высокое из обоих предельных значений определяет, состоится ли вообще процесс подъема.
Пока груз на крюке имеет меньший вес, чем вес, соответствующий меньшему предельному значению, обеспечивается, что в грузоподъемном устройстве даже в случае аварийной остановки не возникают динамические силы, которые представляют опасность. Поэтому деблокируется высокая скорость подъема.
При превышении этого более низкого предельного значения еще не происходит статическая перегрузка. Однако не гарантируется, что в случае аварийной остановки динамические силы останутся внутри безопасного диапазона допусков. Поэтому при превышении этого предельного значения деблокируется или соответственно используется лишь более низкая скорость подъема.
Возможность подъема блокируется лишь тогда, когда с помощью датчика нагрузки определяется вес груза, при котором уже при самой низкой скорости могут возникать в случае аварийной остановки динамические силы, которые выходят из диапазона безопасности отдельных конструктивных элементов грузоподъемного устройства или крана, или же статичный груз является слишком большим.
Указанная выше проблема вызываемых рывком колебаний возникает не только при торможении, но также, например, когда в двигателе с переключаемым числом полюсов осуществляется переключение с одной скорости на другую скорость подъема, например, при подъеме груза с подложки.
Таким образом, с помощью нового грузоподъемного устройства можно в зависимости от скорости подъема поднимать более или менее большие грузы. В частности, можно поднимать грузы, которые больше номинального веса, для которого предназначено грузоподъемное устройство с основной скоростью подъема.
Грузоподъемное устройство может быть составляющей частью крана вместе с несущей конструкцией крана, при этом предельные значения груза, которые деблокируют или соответственно блокируют соответствующие скорости подъема, задаются на основе тех конструктивных элементов, которые являются наиболее чувствительными, таких как, например, несущая конструкция крана или цепь.
Кран может быть мостовым краном, при этом грузоподъемное устройство расположено на монорельсовой тележке. В этом случае одной из наиболее чувствительных к колебаниям частей является крановый мост при расположенной посредине монорельсовой тележке.
Грузоподъемное устройство может быть цепным полиспастом или тросовым полиспастом, однако возможно также, что грузоподъемное устройство является ленточным полиспастом.
Редукторный двигатель может иметь в качестве собственно приводного средства асинхронный двигатель. Этот асинхронный двигатель может быть асинхронным двигателем с переключением числа полюсов, за счет чего можно реализовать по меньшей мере две скорости.
Редукторный двигатель может работать вместе с преобразователем частоты, при этом преобразователь частоты может быть в принципе составляющей частью управляющего устройства или же может быть выполнен отдельно от него. С помощью преобразователя частоты можно создавать непрерывный диапазон различных скоростей подъема.
Можно также применять устройство электроснабжения, которое в соединении с асинхронным двигателем допускает лишь заданное количество дискретных скоростей подъема, например три.
В зависимости от выполнения грузоподъемного устройства линейным грузозахватным средством может быть трос, цепь или лента.
В соответствии с этим приводным средством может быть тросовый барабан, на который наматывается трос. Однако приводное средство может быть также цепным зубчатым колесом, вокруг которого проходит цепь, и которое захватывает с геометрическим замыканием цепь. В случае ленточного полиспаста приводным средством является ленточный барабан.
Управляющее устройство может допускать лишь две различные скорости или непрерывно изменяющиеся скорости подъема.
В простейшем случае управляющее устройство содержит классический управляющий пульт, на котором расположены приводимые в действие вручную клавиши. Блокирующее устройство управляющего устройства может так воздействовать на них, что действует лишь одно предельное значение, которое соответствует медленной скорости подъема, при этом более высокая скорость блокируется электрически или механически с помощью блокирующего устройства.
Предельное значение, выше которого допустима более высокая скорость подъема, задано так, что в аварийном случае при аварийном торможении или при переключении в следующую более высокую или более низкую ступень скорости пики нагрузки остаются меньше допустимой максимальной нагрузки грузоподъемного устройства или его компонентов, или несущей конструкции крана.
Параллельно непрерывно изменяющимся скоростям подъема могут быть предусмотрены также непрерывно изменяющиеся предельные значения.
В противоположность этому очень простые соотношения обеспечиваются, когда предусмотрено некоторое количество дискретных предельных значений. В простейшем случае это число равно 2.
В остальном возможные модификации являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Приведенное ниже описание фигур ограничивается пояснением существенных аспектов изобретения. Понятно, что возможен ряд изменений. Небольшие детали, описание которых не приводится, специалисту привычным образом понятны из чертежей, которые дополняют описание.
Прилагаемые чертежи выполнены не обязательно с соблюдением масштаба. Для иллюстрации существенных деталей некоторые зоны могут быть изображены преувеличенно большими. Кроме того, переключательные блоки показаны лишь в виде функциональных модулей.
При этом на чертежах схематично изображено:
фиг.1 - мостовой кран в изометрической проекции;
фиг.2 - цепной полиспаст в упрощенной изометрической проекции;
фиг.3 - тросовый полиспаст в упрощенной изометрической проекции;
фиг.4 - график нагрузки с иллюстрацией возникающих колебаний нагрузки;
фиг.5 - принципиальная схема системы согласно изобретению;
фиг.6 - графическая схема управления в соответствии с фиг.4.
На фиг.1 показана в упрощенном виде в изометрической проекции часть мостового крана 1, который имеет перемещаемую поперек его продольного направления несущую часть 2 мостового крана. Несущая часть 2 мостового крана состоит, как показано на фиг.1, из двутавровой балки с перегородкой 3, а также верхним фланцем 4 и нижним фланцем 5. Вдоль нижнего фланца 5 перемещается монорельсовая тележка 6, на которой для этого установлено с возможностью вращения в целом четыре ролика 7. Из роликов 7 можно видеть лишь два ролика.
На монорельсовой тележке 6 закреплено грузоподъемное устройство 8, которое выполнено в виде цепного полиспаста. К цепному полиспасту 8 относится захватывающее груз средство в виде цепи 9, на свободном конце которой закреплен крюк 11. С помощью крюка 11 можно закреплять на цепном полиспасте 8 груз 12.
Цепной полиспаст 8 показан в увеличенном масштабе на фиг.2. К нему относится приводной двигатель 13, который соединен с входной стороной передачи 14. На выходном валу передачи 14 сидит не изображенное цепное зубчатое колесо известного вида. Цепное зубчатое колесо установлено в корпусе 15 зубчатого колеса, который с помощью подвесных серег 16 закреплен на монорельсовой тележке 6.
Двигатель 13 образует вместе с понижающей передачей 14 редукторный двигатель. Приводной двигатель 13 может быть асинхронным двигателем, например асинхронным двигателем с переключаемым числом полюсов, который обеспечивает две различные скорости подъема.
На противоположной передаче 14 стороне находится управляющий ящик 16, в котором расположены необходимые для управления цепным полиспастом 8 электромеханические и электронные конструктивные элементы. Из управляющего ящика свисает кабель 17, на котором закреплен управляющий пульт 18. Управляющий пульт 18 служит для ручного управления цепным полиспастом 8 и содержит для этого нажимные клавиши 19, с помощью которых можно управлять скоростью подъема и направлением перемещения груза 12. Например, посредством нажатия на верхнюю клавишу 19 до ее фиксации включается малая скорость подъема, а именно в верхнем направлении. За счет нажатия за ощутимый порог фиксации происходит переключение с малой скорости подъема на основную скорость подъема, которая по меньшей мере в 2 раза, например в 6 раз, превышает малую скорость подъема.
При отпускании верхней клавиши 19 грузоподъемное устройство 8 останавливается.
Управление противоположным направлением движения осуществляется тем же образом с помощью нижней клавиши 19.
Вместо снабжения мостового крана 1 цепным полиспастом 8 на монорельсовой тележке 6 может быть установлен тросовый полиспаст 21. К тросовому полиспасту 21 относится рама 22, на которой установлен с возможностью вращения тросовый барабан 23. Тросовый барабан 23 приводится во вращение с помощью редукторного двигателя 24. На противоположной редукторному двигателю 24 стороне снова предусмотрен управляющий ящик 16, который через управляющий кабель 17 соединен с управляющим пультом 18, как указывалось выше.
Показанный тросовый полиспаст 21 имеет так называемое двухтяговое выполнение, в котором наматываемый на барабан 23 трос 25 проходит в виде линейного грузозахватного средства вокруг крюковой обоймы 26 и образует вторую ветвь 27, которая рядом с тросовым барабаном 23 неподвижно закреплена на раме 22.
Работа тросового полиспаста 21 может осуществляться так же, как работа цепного полиспаста 8.
Для понимания изобретения нет необходимости приводить другие подробности отдельных видов грузоподъемных устройств, таких как, например, вид торможения и другие средства безопасности.
Из приведенных пояснений для специалистов в данной области техники понятно, что груз 12, с одной стороны, и грузоподъемное устройство или соответственно кран, с другой стороны, образуют способную к колебаниям систему, которая может приводиться в колебания за счет толчковых перемещений груза. Такие колебания являются, например, продольными колебаниями в линейном грузозахватном средстве в виде цепи 9 или троса 25, упругими деформациями рамы 22 тросового полиспаста 21, торсионными колебаниями в самой передаче, а также изгибными колебаниями в несущей конструкции крана, в данном случае - в балке 2 мостового крана, чтобы назвать наиболее очевидные элементы, которые могут вносить существенный вклад в колебания. Колебания приводят к тому, что груз 12 перемещается вертикально вверх и вниз, при этом при движении вверх происходит уменьшение нагрузки, а при движении вниз - ее увеличение.
Вследствие колебаний в отдельных конструктивных элементах возникают пики нагрузки, которые значительно больше сил, которые возникают в этих конструктивных элементах, когда груз 12 висит в покое.
Специалист выбирает размеры грузоподъемного устройства и/или крана так, чтобы за счет динамической нагрузки вследствие колебаний вверх и вниз груза 12 не превышалось критическое предельное значение.
Эта связь показана в виде графика на фиг.4. Критичный предел нагрузки показан прямой 29 в системе координат. В системе координат вдоль оси ординат нанесена возникающая на крюке 11 вертикальная сила, а вдоль оси абсцисс - время t. Ход изменения силы иллюстрирован линией 30.
0
1
H
2
Предположим, что в момент времени t пользователь начинает движение подъема груза 12. Поскольку сначала грузозахватное средство не натянуто, то до момента времени t сила увеличивается лишь очень медленно. После этого увеличение силы происходит по прямой, возрастание которой зависит от упругости системы и выбранной скорости подъема. Предположим, что пользователь поднимает груз 12 сразу с основной скоростью V подъема. В момент времени t напряжение троса соответствует весу груза 12. С этого момента груз 12 должен ускоряться до скорости троса. За счет этого к весу груза добавляется сила ускорения. Вследствие силы ускорения трос 25 напрягается дальше. Возникающее скачкообразно ускорение и растяжение троса накладываются друг на друга, что приводит к очень сложному поведению, если его рассматривать строго математически. Для данного изобретения такой точный анализ и описание процессов не требуется.
2
3
3
Несколько упрощенно принимается, что подъем груза 12 происходит между моментами времени t и t. Ускорение заканчивается в момент времени t.
3
3
4
В той мере, в которой ускоряется груз 12, уменьшается сила ускорения, поскольку скачкообразно ускоренный груз 12 продолжает движение. В момент времени t скорость груза начинает становиться больше скорости троса, поэтому ход изменения силы начинает в момент времени t изменяться на противоположный. Вершина силы F лежит выше среднего значения, которое соответствует статичному или установившемуся состоянию и изображено с помощью прямой 31. Таким образом, начинаются колебания, которые медленно затухают со временем. Частота соответствует собственному резонансу системы. Первый минимум соответствует моменту времени t.
Поскольку способная к колебаниям система демпфируется на основании трения, то амплитуда вызванных колебаний уменьшается экспоненциально во времени.
На основании конструкции и предусмотренных в грузоподъемном устройстве измерительных устройств обеспечивается, что первый и наибольший максимум не превышает допустимый конструктивный предел 29 прочности.
H
F
F
Если бы пользователь поднимал груз 12 не с основной скоростью V, а с медленной скоростью V, то ход изменения силы соответствовал более плоской кривой на фиг.4, а именно в соответствии с F=f(V). При одинаковом весе груза на крюке ожидаемые колебания меньше, в то время как среднее значение является тем же, что и в предыдущем примере выполнения, который обозначен штриховой линией 31.
H
F
8
9
10
11
Максимум амплитуды лежал бы явно ниже максимума кривой 30 изменения нагрузки с основной скоростью подъема. В изобретении используется это явление тем, что деблокируется подъем груза с помощью грузоподъемного устройства или соответственно крана с медленной скоростью подъема, вес которого больше допустимого максимального груза, который можно поднимать с основной скоростью V подъема. За счет этого устанавливается ход изменения силы, который показан на фиг.4. В этом случае ход изменения силы соответствует кривой 32 F=F(V) с первым максимумом в момент времени t. В момент времени t наступает первый минимум, следующий максимум в момент времени t, снова минимум в момент времени t и т.д.
Поскольку амплитуда возникшего колебания меньше, становится возможным с помощью среднего значения, как оно показано штриховой линией 33, более близко приблизиться к пределу 29 нагрузки.
При меньшем весе груза устанавливается частота колебаний, которая при одинаковой в остальном конструкции меньше частоты колебаний, которая получается, когда система нагружается максимально допустимым грузом для основной скорости подъема.
Меньшая амплитуда колебаний при малой скорости подъема обусловлена меньшей кинетической энергией, которая возникает при резком движении отрыва вследствие скачкообразного изменения скорости.
Для предотвращения неправильного управления можно применять управляющую схему согласно фиг.5. К центральному управляющему устройству 34, которое находится в управляющем ящике 16, подключен пульт 18 управления. От него проходит соединение 35 электроснабжения к асинхронному двигателю 13, который в показанном примере выполнения может быть двигателем с переключаемым числом полюсов. С помощью двигателя с переключаемым числом полюсов реализуются две отличающиеся в 2 раза скорости вращения или соответственно скорости подъема.
Кроме того, к управляющему устройству 34 подключен датчик 36 силы, который служит для измерения груза на крюке. С помощью датчика 36 силы должна предотвращаться перегрузка грузоподъемного устройства. Выполнение таких датчиков известно из уровня техники. Поскольку специальное выполнение не имеет значения, то достаточно этого короткого пояснения, которое ориентировано на его функцию.
G1
G2
Дополнительно к пока классической конструкции, к управляющему устройству 34 подключен выключатель 37 с замочным устройством. С помощью замкового выключателя 37 можно выбирать, какое предельное значение P или P принимается в качестве предельного значения, при котором не выполняется движение подъема. Одновременно с помощью замкового выключателя 37 задается, приводит ли соответствующее приведение в действие одной из нажимных клавишей 19 к переключению из медленной скорости подъема на основную скорость подъема.
Принцип действия системы следующий.
G1
G1
G1
Когда замковый выключатель 37 находится в нормальном положении использования, то пользователь может включать как медленную скорость подъема, так и основную скорость подъема, которая, например, в 6 раз больше медленной скорости подъема. В обоих случаях действует заданное в управляющем устройстве предельное значение P, т.е. двигатель 13 выключается, когда датчик 36 сигнализирует груз на крюке, который превосходит предельное значение P. Предельное значение P соответствует среднему значению 31 с добавлением возможных коррекций, соответствующих ожидаемым колебаниям. При превышении этого предельного значения выключается привод независимо от приведения в действие клавиш 19.
Таким образом, в этом рабочем положении пользователь может перемещать груз быстро или медленно.
G2
Иногда случается, что пользователь должен перемещать более тяжелые грузы. При таких грузах, как указывалось выше, можно опасаться, что при переключении на основную скорость подъема вызывается рывок, в результате которого возникает динамический пик нагрузки, который превышает предельное значение 29, согласно фиг.4. Когда необходимо поднять такой груз, то пользователь или авторизованный персонал переключает замковый переключатель 37. Это приводит к двум следствиям. Во-первых, активируется новое предельное значение P, и, кроме того, блокируется основная скорость подъема. Независимо от того, как глубоко вдавливает пользователь клавишу 19, управляющее устройство включает в двигателе 13 лишь обмотку с большим числом полюсов для того, чтобы оставалась включенной лишь более низкая скорость вращения. Несмотря на больший груз на крюке, возникает пик силы, который меньше предельного значения 29. Тем самым пользователь получает возможность в некотором смысле «перегружать» грузоподъемное устройство, при этом под перегрузкой следует в данном случае понимать лишь перегрузку, которая лежит выше нормальной номинальной нагрузки, однако не превышает предельное значение 29.
Такие события может отсчитывать специальный счетчик, чтобы обеспечить возможность своевременного технического обслуживания, поскольку повышенная нагрузка приводит к более сильному старению грузоподъемного устройства, чем нормальная работа.
В приведенном выше описании динамических соотношений и хода работы исходили из того, что возникают рывки, когда висящий груз трогается с места. Однако такие рывки могут также возникать, когда в результате аварийной ситуации при висящем грузе выполняется торможение скорости подъема до нуля. Кроме того, такие колебания могут возникать, когда, например, при опускании вниз выполняется резкое переключение с основной скорости на медленную скорость хода. В этом случае в двигателе происходит электрическое торможение, что снова приводит к опасному рывку, который вызывает колебания в системе.
В приведенном выше пояснении изобретения исходили из грузоподъемного устройства, которое имеет две дискретные скорости. Однако изобретение не ограничивается такими применениями. Можно применять также приводные системы, в которых асинхронный двигатель 13 управляется, например, с помощью инвертора 38, как показано на фиг.5 штрихпунктирными линиями. В этом случае может быть также предусмотрено, что при разрешении более высокого груза на крюке нельзя превышать определенную скорость подъема. Это ограничение при работе с приводом через инвертор необходимо в меньшей степени при трогании с места, а больше при аварийной остановке. При трогании с места инвертор может обеспечивать кривую изменения скорости, которая исключает рывки. При аварийной остановке рывок неизбежен.
G1
Возможен другой вариант выполнения, в котором можно отказаться от замкового выключателя 37 и вместо этого, независимо от приведения в действие клавиш 19, всегда сначала использовать медленную скорость подъема. Если при этом выявляется, что груз на крюке не превышает предельного значения P, то управляющее устройство самостоятельно переключается, если это желательно, на основную скорость подъема. Если же управляющее устройство 34 с помощью датчика 36 силы определяет груз на крюке, который может приводить к динамической перегрузке, то такое переключение на основную скорость подъема блокируется, и вместо этого скорость подъема остается медленной скоростью подъема.
Наконец, можно не применять отдельные дискретные предельные значения, а непрерывную совокупность предельных значений, при этом соответствующее предельное значение является функцией скорости подъема. Такое применение возможно при приводе с помощью инвертора. На фиг.6 показана схематично необходимая для этого графическая схема процесса.
Программа начинается со стадии 40 и на стадии 41 запрашивает, задана ли команда на подъем или опускание. Если команда не дана, то программа возвращается обратно на стадию 40. В противном случае она переходит на стадию 43, в которой сила на тросе сравнивается с предельным значением, которое зависит от фактической скорости подъема. Если это предельное значение не превышено, то программа переходит на стадию 44, в которой скорость увеличивается на заданный инкремент i. Если же это предельное значение превышено, то программа снова переходит в начало стадии 41.
МАХ
Для исключения перегрузки в обратной связи имеется еще стадия 45 запроса, в которой проверяется, является ли груз на крюке больше вообще возможного груза Р на крюке. Если это так, то программа тотчас переходит на стадию 47 выдачи команды и останавливает грузоподъемное устройство.
Грузоподъемное устройство или кран можно эксплуатировать по меньшей мере с двумя различными максимальными нагрузками. Какой максимальный груз можно поднимать, коррелируется со скоростью подъема, для предотвращения превышения динамически возникающими пиками нагрузки заданных допустимых предельных значений нагрузки конструктивных элементов крана или грузоподъемного устройства.