СИСТЕМА ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ТОРМОЖЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ

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 №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 момент 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 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. В66D 5/00, 2007. 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 при включении тормоза первой ступени в канате возникнут продольные колебания с полупериодом, который приближенно можно считать равным
а
где  и b - некоторые действительные числа, а l - длина каната.
После включения первой ступени через время T/2 включается вторая ступень торможения. Поскольку обе ступени равны по тормозному моменту, вторая ступень создает в канате такие же продольные колебания с полупериодом Т/2. Но они будут смещены по фазе по отношению к колебаниям, вызванным первой ступенью, также на Т/2. То есть, вторые колебания будут примерно в противофазе с первыми. В результате те и другие взаимно уничтожаются и продольные колебания в канате гасятся.
max
Т
max
Т
Перед использованием устройства его вначале настраивают. Для этого усилитель регулируют, устанавливая его коэффициент усиления равным «b», а на смещающие вход сумматора подают сигнал, равный «а». При подъеме краном груза датчик высоты подъема груза, работающий на вычитание, выдает сигнал, отображающий l=l-l, где l - расстояние от точки подвеса каната до земли, а l - текущая высота подъема груза над землей. Таким образом, датчик выдает сигнал, отображающий текущую длину грузового каната. Этот сигнал поступая в усилитель, умножается на «b», а затем, поступая в сумматор, складывается с сигналом «а». На выходе сумматора появляется сигнал, отображающий T/2. Он поступает на программирующий вход реле времени и задает его время срабатывания. Последнее же реализуется по команде включения, подаваемой в цепь управления тормоза первой ступени. Когда эта команда подается, первая ступень включается и одновременно с этим реле времени начинает отсчитывать время, которое было запрограммировано сигналом T/2 в момент включения первой ступени. Отсчитав это время, реле выдает сигнал включения второй тормозной ступени.
Как показывают, однако, опыт и специально поставленные эксперименты, устройство по патенту РФ №69054 при всей его эффективности гарантирует ликвидацию продольных колебаний каната все-таки не полностью. Причина в том, что зависимость T/2 только от l - весьма приближенная. Она более или менее точна лишь при достаточно малых и изменяемых в незначительных пределах значениях массы поднимаемого груза. Из-за этого расчеты по формуле (1) при изменении m, например, от 0 до 250 кг показывают, что вычисленные по ней значения T/2 могут отличаться от реальных на 3-40%. Между тем, более точные результаты, все же, можно получить. Для этого формулу (1) следует заменить такой, которая вытекает из непосредственно измеренных данных о T/2 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
Т/2=0,0285+0,0057·l+0,000114·m,
расчеты по которой во всем диапазоне указанных l и m имеют среднеквадратичную погрешность (по отношению к реальному T/2), не превышающую 4%. Для других канатов свободный член и коэффициенты в этой формуле будут другими, но зависимость все равно будет иметь вид
а
где , 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 устройство по патенту РФ №69054.
Это было осуществлено в системе двухступенчатого торможения подъемно-транспортной машины, защищенной патентом РФ №87419, кл. В66D 5/00, принятой нами за прототип.
Система-прототип представляет собой устройство двухступенчатого торможения, содержащее тормоза первой и второй ступеней, равных по величине тормозного момента, с соответствующими цепями управления, 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. Кроме того, устройство снабжено регулируемым пороговым элементом отключения привода подъема, датчиком массы понимаемого 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.
а
Перед работой системы в нее вначале вводят величины , b, с и d. (Их предварительно определяют экспериментально для данного типа каната).
а
В процессе работы системы ее датчики высоты подъема и массы груза выдают соответствующие сигналы, эти сигналы умножаются в усилителях на b и с и в сумматоре складываются с . В результате получается число T/2, которое вводится в программируемое реле времени. Когда машину требуется остановить, подается команда, по которой включается первая ступень торможения и реле времени начинает отсчитывать время, равное запрограммированному T/2.
По истечению этого времени оно подает команду на включение второй ступени торможения. Колебания груза на канате, возникшие при включении первой, а затем второй ступеней торможения, взаимно уничтожая друг друга, гасятся. Поскольку при этом момент подачи сигнала на включение второй ступени торможения определяется точнее, чем в других устройствах, и в данном случае учитывается и длина каната, и масса груза, то гашение колебаний происходит более эффективно, чем в устройствах-аналогах. Тем не менее, система-прототип так же не лишена недостатков. Главный из них - продолжение колебаний в течение некоторого времени даже после включения второй ступени торможения. Это не позволяет максимально повысить эффективность торможения грузоподъемной машины, снизить динамические нагрузки в канате наилучшим образом, и, как следствие, обеспечить высокую надежность и безопасность машины.
В связи с изложенным, задачей разработки предлагаемой полезной модели является создание системы, обеспечивающей ускоренную ликвидацию продольных колебаний каната, возникающих при торможении машины, повышение надежности машины и ее безопасности при подъеме груза. Вместе все это составляет задачу создания устройства, обеспечивающего повышение эксплуатационной эффективности подъемно-транспортной машины.
Достигается решение поставленной задачи тем, что система двухступенчатого торможения грузоподъемной машины, содержащая тормоза первой и второй ступеней, равных по величине тормозного момента, с соответствующими цепями управления, программируемое реле времени, регулируемый пороговый элемент отключения привода подъема груза, датчик высоты подъема груза, первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом датчика высоты подъема, датчик массы поднимаемого груза, второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом датчика массы и со входом порогового элемента, первый сумматор, первый и второй входы которого выполнены управляющими и соединены с выходами первого и второго усилителей, третий вход выполнен смещающим, а выход связан с программирующим входом реле времени, отличается от прототипа тем, что она включает в себя датчик скорости подъема груза, инвертор, первый элемент дифференцирования, дополнительный регулируемый пороговый элемент, рабочий вход которого соединен с выходом датчика скорости, а выход через инвертор подключен ко входу первого элемента дифференцирования, RS-триггер, первый вход которого соединен с выходом реле времени, второй вход подключен к выходу первого элемента дифференцирования, а выход соединен с цепью управления тормоза второй ступени, второй элемент дифференцирования, вход которого соединен с цепью управления тормоза первой ступени, двухвходовой дизъюнктор, первый вход которого связан с выходом первого элемента дифференцирования, второй вход соединен с выходом второго элемента дифференцирования, а выход подключен к управляющему входу реле времени, второй сумматор, первый вход которого выполнен смещающим, а второй выполнен управляющим и соединен с датчиком массы, блок деления, первый вход которого выполнен в виде шины ввода сигнала, являющегося делимым, а второй выполнен в виде шины ввода сигнала, являющегося делителем, и соединен с выходом второго сумматора, и блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй вход связан с выходом блока деления, а выход - с регулировочным входом дополнительного порогового элемента.
На рис.1 показана блок-схема предлагаемой системы, на рис.2 - график изменения тормозного усилия при ее работе.
Блок-схема системы включает в себя: 1 - тормоз первой ступени; 2 - тормоз второй ступени (по тормозному моменту они равны); программируемое реле времени 3; регулируемый пороговый элемент 4 отключения привода подъема груза; датчик высоты подъема груза 5; первый усилитель 6 с регулируемым коэффициентом усиления; датчик массы 7 поднимаемого груза; второй усилитель 8 с регулируемым коэффициентом усиления; датчик скорости 9 подъема груза; инвертор 10; первый элемент дифференцирования 11; дополнительный регулируемый пороговый элемент 12; RS-триггер 13, второй элемент дифференцирования 14; двухвходовой дизъюнктор 15; второй сумматор 16; первый вход которого выполнен смещающим, а второй выполнен управляющим; блок деления 17, первый вход которого выполнен в виде шины ввода сигнала, являющегося делимым, а второй выполнен в виде шины ввода сигнала, являющегося делителем; блок умножения 18. Кроме того, блок-схема содержит первый сумматор 19, первый и второй входы которого выполнены управляющими, а третий выполнен смещающим.
Элементы и блоки системы соединены следующим образом: тормоз первой ступени 1 своей цепью управления соединен с элементом дифференцирования 14 и с шиной подачи сигнала А включения системы; тормоз второй ступени 2 своей цепью управления соединен с выходом RS-триггера 13 (выходом служит одна «ножка» триггера; вторая остается свободной); реле времени 3 своим программирующим входом соединено с выходом сумматора 19; вход порогового элемента 4 отключения привода подъема груза соединен с выходом датчика массы 7; выход датчика высоты подъема 5 соединен со входом первого усилителя 6, выход которого связан с первым управляющим входом сумматора 19; выход датчика массы 7 соединен со входом второго усилителя 8, выход которого связан со вторым управляющим входом сумматора 19, и с первым входом второго сумматора 16; выход датчика скорости 9 соединен с рабочим входом порогового элемента 12, выход которого через инвертор 10 подключен ко входу элемента дифференцирования 11; выход элемента 11 соединен со вторым входом RS-триггера 13 и с первым входом дизъюнктора 15; первый вход RS-триггера соединен с выходом реле времени 3; выход второго элемента дифференцирования 14 соединен со вторым входом дизъюнктора 15, выход которого подключен к управляющему входу реле времени 3; выход сумматора 16 соединен со вторым входом блока деления 17; выход блока 17 соединен со вторым входом блока умножения 18, первый вход которого связан с выходом первого сумматора 19, а выход подключен к регулировочному входу порогового элемента 12, Работа системы основывается на «Способе торможения подъемной машины», защищенным авторским свидетельством СССР №1054284. Согласно этому способу для остановки машины вначале включают первую ступень торможения, по истечении времени T/2 включают вторую ступень, затем, когда скорость подъема уменьшится до величины
T
Σ
(F - тормозные усилия обеих ступеней, m - масса движущихся частей машины, Т - период колебаний грузового каната), вторую ступень отключают, а через время Т/2 снова включают.
A
B
c
График, приведенный на рис.2, иллюстрирует изменение тормозного усилия, прикладываемого к механизму подъема при торможении машины. На нем t=0 - момент начала торможения; t - момент времени, когда включается вторая ступень торможения; t - момент времени, когда она отключается; t -момент времени, когда она включается вновь.
гр
Как показывают исследования, при снижении скорости подъема и достижении ею величины V, груз, подвешенный канату, находится в крайней точке диапазона колебаний грузового каната. При снятии половины тормозного усилия груз за время Т/2 достигает положения, соответствующего действию на канат только статической нагрузки. Если в этот момент произвести стопорение машины, то колебания практически сразу же прекратятся.
a
T
Перед использованием системы ее вначале настраивают. По результатам испытания каната определят соответствующие ему значения , b и с и вводят их в усилители 6 и 8 и сумматор 19. В зависимости от допустимой перегрузки машины задают порог d пороговому элементу 4. С помощью смещающего входа сумматора 16 его настраивают, вводя в него величину m', соответствующую массе движущихся при подъеме груза частей машины (сюда не входит масса, измеряемая датчиком 7). В блок деления 17 вводят делимое, равное F/2.
Т
max
Т
max
Т
гр
a
При дальнейшей эксплуатации машины уже ничего настраивать не требуется. Нужно лишь сбросить на «ноль» RS-триггер 13. Когда машина поднимает груз, масса которого вместе с крюковой подвеской равна m, и тормозится на высоте подъема l, датчик 7 выдает сигнал m, а датчик 5 - сигнал l=l -l,, где l - расстояние от точки подвеса каната до земли, а l - текущая высота подъема груза над землей. Эти сигналы умножаются, соответственно, на b и с в усилителях 6 и 8, затем в сумматоре 19 складываются с  и на выходе этого сумматора в соответствии с формулой (2) появляется сигнал Т/2. Он поступает на программирующий вход реле времени 3 и задает его время срабатывания. Одновременно с этим сигнал m поступает от датчика 7 на сумматор 16, складывается в нем с величиной m' и подается на блок деления 17. На выходе этого блока появляется сигнал  который далее подается на блок умножения 18. На этот блок подается также сигнал Т/2 с выхода сумматора 19. В результате на выходе блока 18 оказывается сигнал V, вычисленный по формуле (3). Этим сигналом устанавливается порог срабатывания порогового элемента 12.
гp
Когда машину требуется затормозить, на шину А подается сигнал. Он включает тормоз первой ступени 1 и поступает на элемент дифференцирования 14. На выходе этого элемента появляется короткий импульс, который проходит через дизъюнктор 15 и поступает на управляющий вход реле времени 3. Реле начинает работать и отсчитывать время. По истечении запрограммированного в нем времени Т/2 оно срабатывает, подает импульс на первый вход триггера 13 и переключает его. На выходе триггера появляется сигнал, включающий тормоз второй ступени 2. В результате торможения скорость перемещения груза уменьшается. Датчик скорости 9 выдает текущий сигнал скорости V на рабочий вход порогового элемента 12, где сравнивается с порогом его срабатывания V.
гp
гp
Пока V>V на выходе элемента 12 существует логический сигнал «1», преобразуемый инвертором 10 в логический «0». Как только будет иметь место V≤V, на выходе порогового элемента 12 появится «0», на выходе инвертора 10 появится «1». Этот сигнал поступит на элемент дифференцирования 11, а тот выдаст импульс на триггер 13, переключит его и выключит тормоз второй ступени 2. Одновременно с этим тот же импульс, пройдя через дизъюнктор 15, поступит на управляющий вход реле времени 3, а оно снова начнет отсчитывать запрограммированное время T/2. Как только отсчитает, выдаст сигнал на триггер 13, переключит его, а тот включит тормоз второй ступени 2 снова. Таким образом, при работе системы будет реализован график изменения тормозного усилия, приведенный на рис.2, что приведет к ускоренному прекращению продольных колебаний каната с грузом.
По сравнению с прототипом предлагаемая система двухступенчатого торможения снижает продолжительность затухания колебаний, как минимум, в 1,5 раза. Это сокращает длительность действия динамических нагрузок на элементы грузоподъемной машины, повышает ее надежность и безопасность. Все это вместе создает полезный эффект, выражающийся в повышении эксплуатационной эффективности машины, что и являлось задачей полезной модели.