СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)
LOAD LIFTING MACHINE CONTROL DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления и защиты грузоподъемных машин.
Известно устройство для управления грузоподъемной машины (крана), содержащее гидропривод с цепью управления давлением в гидросистеме и устройство безопасности, соединенное с цепями управления механизмами машины, оснащенными элементами односторонней проводимости [1].
Недостатком этой системы является пониженная безопасность работы машины, вызванная наличием в ней органа ручного отключения устройства безопасности при его срабатывании.
Наиболее близкой к предложенной является система управления грузоподъемной машины, содержащая электронное устройство безопасности, рабочее место управления для оператора машины, гидравлические распределители, соединенные с гидравлическими приводами механизмов машины и имеющие элементы управления, соединенные с рукоятками (органами) ручного управления машиной посредством механических средств передачи управляющих воздействий оператора, и средство для разгрузки гидравлической системы машины (блокирования ее работы) при срабатывании устройства безопасности, выполненное в виде электрогидравлического клапана, и имеет датчики положения органов управления, выполненные в виде концевых выключателей и соединенные с устройством безопасности [2, 3, 4].
В этой системе для повышения безопасности работы машины после блокирования устройством безопасности работы приводов механизмов машины обеспечивается возможность включения оператором этого привода в противоположную сторону без отключения устройства безопасности.
Однако наличие датчиков положения органов (рукояток) управления, выполненных в виде концевых выключателей, приводит к повышенному влиянию на работоспособность системы управления загрязнений, проникновения посторонних тел и образования инея (льда) в узлах механического сочленения датчиков положения (концевых выключателей) с органами управления машиной. Это приводит к снижению надежности защиты машины и, соответственно, безопасности ее работы. При отказах в работе этих датчиков (концевых выключателей) отсутствие у оператора информации о разрешенных (безопасных) направлениях перемещений органов управления (информации о безопасных управляющих воздействиях) приводит к дополнительному снижению безопасности работы машины.
Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, являются:
- улучшение эксплуатационных характеристик системы управления, в том числе обеспечение возможности ее эксплуатации в более неблагоприятных внешних условиях, за счет обеспечения нечувствительности системы к загрязнениям, проникновениям посторонних тел и образованию инея (льда) в элементах и узлах контроля управляющих воздействий оператора;
- упрощение технического обслуживания системы за счет исключения необходимости удаления этих загрязнений, посторонних тел и инея (льда);
- упрощение компоновки датчиков на машине (за счет перехода от контроля линейных к контролю угловых перемещений органов управления и применения беспроводной передачи данных);
- повышение надежности работы системы управления за счет исключения ложных сигналов с датчиков положения органов (рукояток) управления;
- повышение безопасности работы машины за счет исключения деблокирования работы приводов при наличии ложных сигналов датчиков в опасных режимах работы машины и информирования оператора о допустимых (безопасных) воздействиях на органы управления.
Общими техническими результатами, достигаемыми во всех вариантах изобретения, являются улучшение эксплуатационных характеристик системы управления и повышение безопасности работы машины.
Указанные технические результаты в первом варианте системы управления грузоподъемной машины, содержащей рабочее место управления для оператора машины, гидравлические распределители, соединенные с гидравлическими приводами механизмов машины и имеющие элементы управления, соединенные с механическим средством передачи управляющих воздействий оператора, содержащим рукоятки управления, и средство для разгрузки гидравлической системы машины или иное устройство блокирования работы гидравлических приводов механизмов машины при срабатывании устройства безопасности, достигаются тем, что она дополнительно снабжается датчиками углового положения и/или скорости перемещения рукояток управления, выполненными с использованием микромеханических акселерометров или жидкостных измерителей углов наклона относительно гравитационной вертикали, а устройство безопасности соединяется с выходами датчиков и с входом средства для разгрузки гидравлической системы.
Во втором варианте этой системы управления указанные технические задачи решаются путем перехода от контроля положения органов (рукояток) ручного управления грузоподъемной машиной к контролю положения рук оператора в процессе этого управления с использованием, в частности, микромеханического акселерометра или емкостного, или ультразвукового, или оптического, или радиоволнового измерителя.
В третьем варианте исполнения системы управления, содержащей рабочее место управления для оператора машины, гидравлические или электрические приводы механизмов машины, имеющие элементы управления, соединенные со средством передачи управляющих воздействий оператора, содержащим органы (рукоятки) ручного управления, и устройство безопасности, выполненное с возможностью блокирования работы приводов механизмов машины посредством воздействия на элементы их управления и/или посредством отключения электрического или гидравлического питания этих приводов, указанные технические результаты достигаются за счет использования индикаторов разрешенных направлений перемещений органов (рукояток) ручного управления грузоподъемной машиной, соединенных с выходами устройства безопасности.
Эти индикаторы, в частности, размещены на органах (рукоятках) управления машиной и содержат световые и/или звуковые сигнализаторы. Они могут быть использованы в любом варианте системы управления машины.
В четвертом варианте исполнения системы управления, содержащей рабочее место управления для оператора машины, гидравлические или электрические приводы механизмов машины, имеющие элементы управления, соединенные со средством передачи управляющих воздействий оператора, содержащим органы (рукоятки) управления, и устройство безопасности, выполненное с возможностью блокирования работы гидравлических или электрических приводов механизмов машины посредством воздействия на элементы их управления и/или посредством отключения электрического или гидравлического питания этих приводов, а также датчики перемещений органов ручного управления и/или элементов управления приводами, соединенные с устройством безопасности, указанные технические результаты достигаются путем выполнения датчиков перемещений органов ручного управления приводами машины и/или датчиков перемещений элементов управления приводами машины бесконтактными и с возможностью беспроводной передачи данных от этих датчиков в устройство безопасности.
Устройство безопасности в любом варианте исполнения системы управления грузоподъемной машины содержит, в частности, цифровой вычислитель и подключенные к нему датчики нагрузки и/или пространственного положения стрелы и/или грузозахватного органа грузоподъемной машины. Это устройство осуществляет формирование сигналов блокирования движений механизмов (узлов) грузоподъемной машины, направленных на предотвращение превышения какого-либо параметра нагрузки и/или пространственного положения его предельно допустимого значения.
Средство для передачи управляющих воздействий оператора на управляющие элементы гидравлических распределителей или на иные элементы управления приводами машины может быть выполнено механическим, электромеханическим или гидромеханическим. Это средство обеспечивает преобразование перемещений органа (в частности, рукоятки) управления в перемещение управляющих элементов приводов механизмов машины.
Устройство безопасности и средство передачи управляющих воздействий оператора могут быть конструктивно объединены и выполнены, в частности, на основе одного цифрового микропроцессорного вычислителя.
Кроме того, для достижения указанных технических результатов, по меньшей мере, часть датчиков системы управления, включая датчики линейного, углового положения органов (рукояток) управления, скорости перемещения этих органов (рукояток) управления, датчики нагрузки и/или пространственного положения стрелы и/или грузозахватного органа грузоподъемной машины, могут быть выполнены с возможностью беспроводной передачи информации. В этом случае каждый такой датчик, а также устройство безопасности и/или средство передачи управляющих воздействий оператора содержат, соответственно, высокочастотный передатчик и приемник.
Отличительные признаки изобретения, обеспечивающие переход от контроля линейного положения органов (рукояток) ручного управления грузоподъемной машиной или управляющих элементов приводов к контролю углового положения и/или скорости перемещения этих органов (рукояток) посредством микромеханических акселерометров или жидкостных измерителей углов наклона или к контролю положения рук оператора, осуществляющего управление грузоподъемной машиной, обеспечивает нечувствительность системы управления к загрязнениям, проникновениям посторонних тел и образованию инея (льда) в элементах и узлах контроля управляющих воздействий оператора. Это обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик системы управления и возможность ее эксплуатации в неблагоприятных внешних условиях, например в условиях повышенной запыленности внешней среды, а также обеспечивает упрощение технического обслуживания системы за счет исключения необходимости удаления этих загрязнений, посторонних тел и инея (льда). Одновременно это обеспечивает исключение формирования этими датчиками ложных сигналов.
Применение беспроводных и бесконтактных датчиков обеспечивает упрощение компоновки системы на грузоподъемной машине за счет исключения необходимости прокладки соединительных проводов и повышение надежности системы за счет исключения ложных сигналов, вызванных обрывами и иными неисправностями (замыканиями) соединительных сигнальных и питающих проводов датчиков.
Исключение ложного деблокирования работы приводов при перегрузках или при достижении стрелой или грузозахватным органом грузоподъемной машины предельно допустимого положения, за счет исключения ложных сигналов с датчиков, приводит к повышению безопасности работы грузоподъемной машины во всех вариантах исполнения системы управления.
К этому же результату приводит оснащение системы управления грузоподъемной машины индикаторами, информирующими оператора о допустимых (безопасных для машины) воздействиях на органы управления. В последнем случае оператор, ориентируясь на эти сигналы, избегает включения приводов машины, приводящих к выходу параметров ее работы за пределы допустимых значений, что также приводит к повышению безопасности работы машины. Одновременно это обеспечивает повышение удобства управления машиной, т.е. улучшает ее эксплуатационные характеристики.
Поэтому отличительные признаки изобретения находятся в прямой причинно-следственной связи с указанными техническими результатами.
На чертеже, в качестве примера реализации изобретения, приведена функциональная схема системы управления грузоподъемной машины.
Система содержит рабочее место управления для оператора машины, гидравлические распределители 1, соединенные с гидравлическими приводами 2 механизмов 3 грузоподъемной машины. Гидравлические распределители 1 имеют элементы управления, соединенные со средством передачи управляющих воздействий оператора 4, содержащим рукоятки управления 5, датчики ее углового положения и/или скорости перемещения 6 и передаточное устройство 7. На рукоятке 5 могут быть размещены индикаторы 8, соединенные с устройством безопасности 9 и информирующие оператора о допустимых (безопасных) воздействиях на рукоятку (орган) управления 5.
Индикаторы 8 могут быть выполнены в виде световых (светодиодных, жидкокристаллических) индикаторов, формирующих для оператора информационные сигналы, например, в виде стрелок различных цветов, указывающих направления перемещения органов (рукояток) управления машиной 5, которые или недопустимы, или приводят к включению приводов 2 в направлениях, безопасных для машины (например, в направлении уменьшения ее нагрузки). В частности, индикаторами 8 зеленого цвета, выполненными в виде стрелок, могут отображаться все разрешенные направления перемещения органов управления, если нагрузочные параметры машины далеки от предельно допустимых, а стрела и грузозахватный орган находятся в положениях, удаленных от границ рабочей зоны грузоподъемной машины, с изменением цвета соответствующего индикатора на красный при приближении к предельной нагрузке или к границе рабочей зоны.
Вместо световых индикаторов или в дополнение к ним могут использоваться звуковые, в частности речевые, сигнализаторы, выполняющие те же функции - предупреждение оператора о недопустимых направлениях перемещений рукояток (органов) управления.
Передаточное устройство 7 может быть выполнено механическим - в виде механической рычажно-приводной системы, включающей в себя тяги, рычаги и шарниры, соединяющие рукоятку управления 5 с управляющими элементами приводов (например, с золотниками гидравлических распределителей 1), или электромеханическим, содержащим аналоговый или цифровой вычислитель (контроллер), выполненный, например, на основе микроконтроллера, и электромеханический преобразователь, например электромагнит, или гидромеханическим (типа гидромеханического джойстика). Это устройство 7 обеспечивает передачу перемещений органа (рукоятки) управления 5 на управляющие элементы приводов 2 (гидравлические распределители 1), обеспечивая, при необходимости, усиление управляющих воздействий оператора и формирование необходимых статических и динамических передаточных характеристик управления приводами 2 с учетом требований к системе управления конкретной грузоподъемной машины.
Передаточное устройство 7 совместно с рукояткой управления 5 и, при необходимости, с датчиками 6 и индикаторами 8 может быть выполнено в виде единой конструкции, именуемой аппаратом управления, джойстиком, контроллером и т.д.
На рукоятке 5 могут быть установлены также дополнительные органы управления - кнопки или клавиши, соединенные с цифровым вычислителем 11 и предназначенные для управления режимами работы системы или устройства безопасности, для подачи звукового сигнала и т.д.
Система содержит средство для разгрузки (сброса давления) гидравлической системы или иное устройство блокирования работы приводов 2 (движений машины) при срабатывании устройства безопасности 9, которое может быть выполнено отдельным (например, в виде электрогидравлического клапана, обеспечивающего отключение гидравлического питания приводов 2) или совмещенным с гидравлическими распределителями 1.
При использовании на грузоподъемной машине электрических приводов 2 блокирование их работы может осуществляться как путем воздействия на их системы управления, особенно в случае использования частотно-регулируемых приводов, или путем отключения их электрического питания.
Контроль нагрузки и пространственного положения стрелы и/или грузозахватного органа грузоподъемной машины осуществляется при помощи датчиков 10, подключенных к цифровому вычислителю 11, выполненному на основе микроконтроллера и оснащенного соответствующими интерфейсными устройствами (выходными усилителями, устройствами сопряжения с датчиками, запоминающими устройствами и т.д.).
Устройство безопасности 9 может содержать дополнительные органы управления (кнопки, клавиши или переключатели), обеспечивающие возможность ввода в цифровой вычислитель 11 параметров, определяющих режимы работы этого устройства и параметры машины (вид стрелового оборудования, степень запасовки грузового полиспаста, выдвижение опор, параметры координатной защиты и т.п.).
Датчики 10 в общем случае включают в себя: датчик массы груза (тензометрический датчик силы или тензометрические датчики давления), потенциометрический датчик длины стрелы (установленный, например, в кабельном барабане, соединяющем невыдвигаемые и выдвигаемые секции стрелы), датчик угла наклона (подъема) стрелы (например, микромеханический инклинометр-акселерометр), датчик угла азимута платформы грузоподъемной машины (крана), датчик (концевой выключатель) предельного подъема грузозахватного органа, датчик приближения к линии электропередачи и другие датчики, необходимость установки которых определяется конструкцией конкретной грузоподъемной машины.
Каждый из датчиков 10 в общем случае содержит последовательно соединенные чувствительный элемент (тензометрический мост, потенциометр и т.п.), микроконтроллер и устройство сопряжения с мультиплексным цифровым или с аналоговым каналом обмена данными. Эти датчики могут именоваться измерительными устройствами, периферийными устройствами регистрации параметров машины, периферийными контроллерами, узлами сети (например, CAN-сети) и т.п., что не имеет принципиального значения.
Для контроля управляющих воздействий оператора система содержит датчики углового положения и/или скорости перемещения рукояток (органов) управления 6, выполненные с использованием микромеханических акселерометров или жидкостных измерителей углов наклона относительно гравитационной вертикали, которые оснащены соответствующими интерфейсными устройствами и соединены с цифровым вычислителем 11 устройства безопасности 9.
Для контроля этих воздействий могут использоваться также датчики положения рук оператора в процессе управления машиной, выполненные, например, инерциальными на основе микромеханического акселерометра, размещенного на запястье руки оператора и оснащенного устройством беспроводной передачи данных в цифровой вычислитель 11, или иные устройства определения (позиционирования) руки оператора с использованием емкостных, ультразвуковых, оптических или радиоволновых измерителей (дальномеров). Положения руки оператора, соответствующие ее прикосновению к рукоятке 5 в ее нейтральном положении, а также отклонению в различных направлениях, предварительно записываются в память цифрового вычислителя 11 или передаточного устройства 7 (если оно выполнено электронным).
Датчики перемещений органов ручного управления приводами машины и/или элементов управления приводами машины могут быть выполнены бесконтактными (индукционными, ультразвуковыми и т.п.) и беспроводными. В этом случае они оснащаются передатчиками или приемопередатчиками, осуществляющими передачу данных в цифровой вычислитель 11 по какому-либо протоколу, например ZigBee.
Устройство безопасности 9 и средство передачи управляющих воздействий оператора 4 могут быть конструктивно объединены и выполнены, в частности, на основе одного цифрового вычислителя 11.
Система управления грузоподъемной машины работает следующим образом.
Перед началом работы машины оператор при помощи органов управления, расположенных на устройстве безопасности 9 или на рукоятке 5, осуществляет ввод параметров, определяющих режимы работы машины (положение выдвижных опор, степень запасовки полиспаста, наличие, длину и угол наклона гуська и т.д.), если для данной конструкции машины ввод этих параметров является необходимым и предусмотрен в системе. Введенные параметры сохраняются в энергонезависимом блоке памяти цифрового вычислителя 11.
Зона допустимых значений положения грузоподъемного (стрелового) оборудования машины вводится при задании параметров координатной защиты при помощи этих же органов управления и аналогичным образом сохраняется в памяти цифрового вычислителя 11.
Управление грузоподъемной машиной (гидравлическими распределителями 1 или электрическими приводами) осуществляется оператором в ручном режиме путем перемещения органов управления (рукояток, рычагов и т.п.) 5 в соответствующих направлениях. Например, для осуществления подъема груза грузовой лебедкой оператор перемещает в соответствующем направлении орган управления (рукоятку, рычаг и т.п.) 5 той секции гидравлического распределителя, которая связана с гидравлическим приводом лебедки. Управляющие действия оператора при этом контролируются (выявляются) при помощи датчиков положения органов управления 6, дающих возможность определить намерение оператора, т.е. определить, какое движение механизмов машины он пытается осуществить и в каком направлении.
Для того чтобы произошло какое-либо движение механизма машины, необходимо как наличие управляющего воздействия оператора (перемещения соответствующего органа управления 5 в нужном направлении), так и отсутствие блокирования этого движения со стороны устройства безопасности 9.
При отсутствии перегрузки машины и при нахождении ее стрелы или грузозахватного органа в зоне допустимых значений по координатной защите устройство безопасности 9 не блокирует управляющие воздействия оператора.
При работе грузоподъемной машины датчики 10 осуществляют измерение параметров загрузки машины и положения ее грузоподъемного (в частности, стрелового) оборудования.
Микроконтроллер цифрового вычислителя 11 работает по программе, записанной в его памяти, и получает необходимую информацию от датчиков нагрузки и положения механизмов машины 10 и датчиков, идентифицирующих действия оператора 6.
После получения этой информации цифровой вычислитель 11 по программе, определенной при проектировании устройства безопасности 9 и предварительно записанной в его память, по известным функциональным зависимостям определяет текущую нагрузку машины и положение ее грузоподъемного (стрелового) оборудования. Допустимые режимы нагружения машины хранятся в памяти цифрового вычислителя 11.
Далее микроконтроллер цифрового вычислителя 11 осуществляет сравнение фактического нагружения машины с предельно допустимым, а также сравнение фактического положения грузоподъемного оборудования с зоной допустимых положений, заданных при введении координатной защиты, и, в зависимости от результатов указанных сравнений, подает на средство для разгрузки гидравлической системы машины или иное устройство блокирования работы гидравлических приводов механизмов машины (на гидравлические распределители 1 или на приводы 2) сигналы блокирования (отключения) соответствующего привода 2, осуществляя остановку данного движения грузоподъемной машины. Благодаря этому осуществляется автоматическая защита машины от перегрузки и от столкновений с препятствиями (координатная защита).
В предельном случае в системе используется одно (одноканальное) устройство блокирования работы приводов 2 механизмов 3 грузоподъемной машины. В этом случае после срабатывания защиты от перегрузки или срабатывания по координатной защите устройство безопасности 9 отключает все приводы 2, блокируя все движения машины. Например, при перегрузке машины в процессе подъема груза грузовой лебедкой происходит блокирование (запрет) всех движений машины, включая опускание груза, поворот машины и т.п.
Для вывода машины из этого состояния оператор переводит рукоятку (орган) управления 5 в нейтральное положение. Далее для выхода машины, например стрелового грузоподъемного крана, из состояния перегрузки необходимо уменьшить грузовой момент. Это можно осуществить или путем опускания груза, или путем подъема стрелы, или путем втягивания (уменьшения длины) телескопической стрелы. Для этого оператор передвигает рукоятку (орган) управления 5 средства передачи управления 4 в соответствующем направлении.
При этом микроконтроллер цифрового вычислителя 11 путем контроля состояний датчиков 6 выявляет, что оператор осуществляет управляющее воздействие, безопасное для машины (в данном примере направленное на уменьшение грузового момента), и снимает блокирование работы приводов 2, разрешая выбранное оператором безопасное движение машины. Если же это управляющее воздействие не является безопасным, блокирование движений машины не снимается.
Одновременно цифровой вычислитель 11 формирует сигналы разрешенных (безопасных для машины) управляющих воздействий оператора на индикаторы 8. Оператор, воспринимая эти сигналы, имеет возможность отказаться от осуществления небезопасных для машины управляющих воздействий. Благодаря этому повышается как удобство управления машиной (ее эксплуатационные характеристики), так безопасность ее работы. В частности, исключаются аварии, вызванные неправильными действиями оператора при неисправных устройствах блокирования движений механизмов машины.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенной системы управления. Изобретение охватывает другие возможные варианты ее исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.
Источники информации
1. SU 449873, B66C 13/42, 13/44, 15.11.74.
2. RU 473041 U1, B66C 13/8, 27.08.2005.
3. RU 2078021 C1, B66C 23/00, 27.07.97.
4. RU 2250192 C2, B66C 13/40, 13/54, G05G 13/00, 22.04.2005.