СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПРИВОДА ГРУЗОПОДЪЕМНОГО УСТРОЙСТВА, ВЫПОЛНЕННОГО С ВОЗМОЖНОСТЬЮ СКОРОСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ, И ПРИВОД ГРУЗОПОДЪЕМНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD OF ADJUSTING HIGH-RESPONSE CONTROL LIFTING DEVICE DRIVE MOTOR RPM, AND LIFTING DEVICE DRIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу регулирования скорости вращения двигателя привода грузоподъемного устройства, выполненного с возможностью управления скоростью вращения.
Уровень техники
Когда производится подъем груза с земли, и сам груз, и конструкция, несущая нагрузку, испытывают вибрации в вертикальном направлении. Причиной вертикальной вибрации, главным образом, является динамическая нагрузка ударного типа, которая возникает, когда груз резко, с высокой скоростью подъема отрывают от земли.
Динамическую нагрузку можно снизить, если при отрыве груза от земли скорость подъема поддерживать на низком уровне. Опытный оператор грузоподъемного устройства может применять этот способ вручную, снижая скорость подъема в тот момент, когда груз отрывается от земли.
Известным приемом является оснащение привода грузоподъемного устройства контроллером, выполненным с возможностью определения натяжения троса и момента, когда груз оказывается в воздухе, путем слежения за изменением усилия на тросе во времени, т.е. производной по времени от усилия троса. Когда производная по времени от усилия троса становится чересчур большой, производится снижение скорости подъема. Когда производная по времени от усилия троса становится достаточно малой, производится обратное увеличение скорости подъема до первоначального значения. Такой контроллер обеспечивает вполне приемлемые результаты с двухскоростными приводами грузоподъемных устройств.
Проблема устранения динамических нагрузок путем контроля производной по времени заключается в том, что данный способ не очень хорошо подходит для приводов грузоподъемных механизмов, выполненных с возможностью управления скоростью, в которых скорость подъема может принимать любые значения от минимальной до максимальной.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании способа регулирования скорости вращения двигателя привода грузоподъемного устройства, выполненного с возможностью управления скоростью, а также в создании привода грузоподъемного устройства, в котором проявления указанной проблемы ослаблены. Задача изобретения решается посредством способа и привода грузоподъемного устройства, отличительные признаки которых изложены в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах формулы.
Идея, лежащая в основе изобретения, заключается в использовании производной фактической величины усилия на тросе по положению для формирования конечной команды на установку скорости для привода грузоподъемного устройства, выполненного с возможностью управления скоростью. Под производной усилия на тросе по положению понимается изменение усилия на тросе, отнесенное к положению некоторого элемента грузоподъемного механизма.
Преимущество изобретения состоит в том, что контроль производной фактической величины усилия на тросе по положению дает более надежную информацию на этапах подъема груза, чем контроль производной усилия на тросе по времени. Изобретение пригодно для применения, например, с целью обнаружения факта отрыва груза от земли или для обнаружения факта подтягивания (увеличения натяжения) троса.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематически изображает привод грузоподъемного устройства, соответствующий настоящему изобретению, и
фиг.2 представляет результаты моделирования процесса подъема груза приводом грузоподъемного устройства фиг.1.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображен привод грузоподъемного устройства, содержащий трос 2, соединенный с тросом грузоподъемный элемент 4, двигатель 6 с регулируемой частотой вращения, который функционально связан с тросом 2 с целью подъема груза 8 посредством грузоподъемного элемента 4, и контроллер 10 грузоподъемного устройства. Контроллер 10 грузоподъемного устройства выполнен с возможностью приема команды  скорости подъема для формирования конечной команды  скорости и для управления скоростью вращения двигателя 6 посредством конечной команды  скорости.
m
m
Привод грузоподъемного устройства содержит средства для определения фактической величины F усилия на тросе, которое передается тросу 2, и средства для определения положения грузоподъемного элемента 4. Средства для определения фактической величины F усилия на тросе могут содержать тензометрический датчик, соединенный с точкой крепления троса 2. Данные фактической величины F усилия на тросе передаются в контроллер 10 грузоподъемного устройства. Средства для определения положения грузоподъемного элемента 4 могут содержать импульсный датчик двигателя 6. Импульсный датчик выдает данные n, связанные с вращением двигателя 6, которые передаются в контроллер 10 грузоподъемного устройства. Контроллер 10 грузоподъемного устройства определяет положение грузоподъемного элемента 4, используя в качестве исходной информации данные n, связанные с вращением двигателя 6, а также известное передаточное отношение вращения двигателя 6 и положения грузоподъемного элемента 4.
Контроллер 10 грузоподъемного устройства выполнен с возможностью определения производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению, используя в качестве исходной информации данные F фактического усилия на тросе и данные положения грузоподъемного элемента 4. Таким образом, производная dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению описывает изменение фактической величины F усилия на тросе в зависимости от изменения положения z грузоподъемного элемента 4. Контроллер 10 грузоподъемного устройства также выполнен с возможностью контроля производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению, которая была определена, и на основе этого - управления скоростью вращения двигателя 6. Привод грузоподъемного устройства использует данные производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению для осуществления наблюдения за различными этапами процесса подъема груза.
z,IL
IL
Контроллер 10 грузоподъемного устройства свидетельствует о подтягивании (увеличении натяжения) троса 2, когда выполняются предварительно заданные условия. Условия, на основании которых отмечается подтягивание троса, включают в себя превышение заданного предельного значения dF производной усилия на тросе по положению для динамической нагрузки и превышение предельного значения F усилия на тросе для динамической нагрузки. Контроллер 10 грузоподъемного устройства выполнен с возможностью снижения величины конечной команды  скорости в ответ на отмеченное подтягивание троса, так чтобы величина конечной команды была равна заданной предельной величине  команды скорости для динамической нагрузки.
В ситуациях, когда не отмечается никакого подтягивания троса 2, предусмотрено, что контроллер 10 грузоподъемного устройства формирует конечную команду  скорости, которая в границах установленных параметров следует за командой  скорости подъема. Скорость изменения конечной команды  скорости поддерживается в установленных пределах, т.е. конечная команда  скорости не изменяется скачкообразно даже при скачкообразном изменении команды  скорости подъема.
IL
IL
zIL
IL
В контроллере 10 грузоподъемного устройства в качестве одного из условий констатации факта подтягивания троса 2 используется превышение предельного значения F усилия на тросе для динамической нагрузки. Так сделано, например, потому, что данная процедура позволяет избежать ложного определения подтягивания троса 2 в ситуации ошибочного определения производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению. Таким образом, использование факта превышения предельного значения F усилия на тросе для динамической нагрузки в качестве условия для индикации подтягивания троса является вспомогательной мерой. В одном из вариантов осуществления изобретения заданные условия, на основании которых констатируется факт подтягивания троса, заключаются в превышении предельного значения dF. производной усилия на тросе по положению для динамической нагрузки, но не включают превышение предельного значения Fусилия на тросе для динамической нагрузки.
z,LO
z,IL
z,LO
Контроллер 10 грузоподъемного устройства констатирует отрыв груза от земли в тот момент времени, который следует за обнаружением подтягивания троса, и в тот момент времени, когда производная dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению падает ниже установленного предельного значения dF для отрыва груза. Для предельных значений производной усилия на тросе по положению применимо неравенство dF>dF>0. В ответ на обнаружение отрыва груза от земли контроллер 10 грузоподъемного устройства увеличивает величину конечной команды  скорости, так чтобы она стала равной команде  скорости подъема.
z,LO
z,IL
IL
IL
Предельное значение dF производной по положению для отрыва груза - это исходная информация, конкретная для привода грузоподъемного устройства, которую заранее заносят в контроллер 10 грузоподъемного устройства. Предельное значение dF производной усилия на тросе по положению для динамической нагрузки, предельное значение F усилия на тросе для динамической нагрузки и предельная величина ω команды скорости для динамической нагрузки также представляют собой исходную информацию, конкретную для привода грузоподъемного устройства.
z,LO
IL
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения для определения факта отрыва груза от земли используется только производная dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению, т.е. факт отрыва груза от земли констатируется, когда значение производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению падает ниже установленного предельного значения dF для отрыва груза. В данном варианте осуществления факт подтягивания троса определяется по другой величине, нежели по производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению. Факт подтягивания троса может определяться по превышению установленного предельного значения F усилия на тросе для динамической нагрузки.
m
На фиг.2 показаны четыре графика, построенные в результате моделирования процесса подъема груза приводом грузоподъемного устройства фиг.1. На первом графике представлена конечная команда  скорости и скорость ω вращения двигателя 6 с регулируемой частотой вращения. Второй график изображает производную dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению. Третий график изображает фактическую величину F усилия на тросе. Четвертый график представляет рабочее состояние (OS) привода грузоподъемного устройства. Все четыре графика фиг.2 построены в функции времени, и по горизонтальной оси отложено время в секундах.
m
асс
2
В момент времени t=0, когда значение конечной команды  скорости и скорости ωвращения равны 0, на контроллер 10 поступает команда  скорости подъема, слегка превышающая 400 рад/с. Согласно первому графику фиг.2 контроллер 10 грузоподъемного устройства начинает увеличивать значение конечной команды  скорости, так что рост конечной команды  скорости происходит с угловым ускорением α=260 рад/с. Когда значение конечной команды  скорости достигает значения команды  скорости подъема, увеличение конечной команды  скорости прекращается.
IL
z,IL
IL
z,IL
В момент времени выполняются условия для констатации факта подтягивания троса 2, т.е. фактическая величина F усилия на тросе оказывается больше предельного значения F=5000 Н усилия на тросе для динамической нагрузки, и производная dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению оказывается больше предельного значения dF=100 Н/мм производной усилия на тросе по положению. Из третьего графика видно, что фактическая величина F усилия на тросе в более ранний момент времени уже превысила предельное значение F усилия на тросе для динамической нагрузки, т.е. решающим событием для констатации факта подтягивания троса является возрастание производной dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению выше предельного значения dF. производной усилия на тросе по положению для динамической нагрузки.
IL
асс
IL
IL
Когда зарегистрировано подтягивание троса 2, контроллер 10 грузоподъемного устройства начинает уменьшать величину конечной команды  скорости, так чтобы указанная величина уменьшалась с угловым ускорением , стремясь к предельной величине ω команды скорости для динамической нагрузки. Абсолютная величина углового ускорения  существенно больше абсолютной величины углового ускорения α, т.е. после того как контроллер 10 грузоподъемного устройства констатирует факт подтягивания троса, скорость вращения двигателя 6 быстро снижается. Большое угловое ускорение требуется для того, чтобы у конечной команды  скорости было достаточно времени, чтобы достигнуть предельной величины ω команды скорости для динамической нагрузки, прежде чем груз оторвется от земли. Когда конечная команда  скорости достигает предельной величины ω=65 рад/с команды скорости для динамической нагрузки, снижение величины конечной команды  скорости прекращается.
Теоретически, когда контроллер 10 грузоподъемного устройства обнаруживает подтягивание троса, величину конечной команды  скорости можно было бы сбросить сразу (скачкообразно) до предельного значения команды соц. скорости для динамической нагрузки, однако в реальном приводе грузоподъемного устройства это вызвало бы отключение устройства защиты по токовой перегрузке частотного преобразователя. Вследствие этого в нескольких вариантах осуществления оправданным является снижение величины конечной команды скорости до предельного значения команды скорости для динамической нагрузки с конечным отрицательным ускорением.
IL
Из второго и третьего графиков фиг.2 видно, что и фактическая величина F усилия на тросе, и производная dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению после момента  времени все еще нарастают и продолжают нарастать даже после того, как конечная команда  скорости достигает предельного значения команды ω скорости для динамической нагрузки.
z,LO
acс
Условия для констатации факта отрыва груза от земли оказываются выполненными в момент  времени, т.е. производная dF/dz фактической величины усилия на тросе по положению падает ниже установленного предельного значения dF=50 Н/мм для отрыва груза в момент времени, более поздний, чем  соответствующий обнаружению подтягивания троса. В этом случае контроллер 10 грузоподъемного устройства начинает повышать величину конечной команды  скорости, так чтобы указанная величина возрастала с угловым ускорением α, стремясь к величине команды  скорости подъема. Когда величина конечной команды  скорости достигает величины команды  скорости подъема, увеличение конечной команды  скорости прекращается.
m
m
m
IL
m
IL
Из первого графика фиг.2 видно, что скорость ω вращения двигателя 6 с регулируемой частотой вращения сравнительно жестко следует за конечной командой  скорости, т.е. большую часть времени графики по существу оказываются наложенными друг на друга. График конечной команды  скорости состоит из четких прямых участков, в то время как график скорости ωвращения двигателя 6 с регулируемой частотой вращения виден в виде искажений указанных прямых участков. Скорость ωвращения двигателя 6 с регулируемой частотой вращения реально значительно отличается от конечной команды  скорости только в ситуации, когда величина конечной команды  скорости при своем снижении достигает предельного значения ω команды скорости для динамической нагрузки. В этой ситуации скорость ω вращения двигателя 6 на время отчетливо падает ниже предельного значения ω команды скорости для динамической нагрузки.
OS2_3
Четвертый график фиг.2 показывает рабочее состояние OS привода грузоподъемного устройства в различные моменты времени. Вначале привод грузоподъемного устройства находится в рабочем состоянии OS2, при котором контроллер 10 грузоподъемного устройства полагает, что грузоподъемный элемент 4 не загружен. В момент tвремени привод грузоподъемного устройства совершает переход из рабочего состояния OS2 в рабочее состояние OS3, при котором контроллер 10 констатирует факт подтягивания троса 2. В момент  времени привод грузоподъемного устройства совершает переход из рабочего состояния OS3 в рабочее состояние OS4, при котором контроллер 10 констатирует факт отрыва груза от земли.
IL
IL
IL
IL
IL
При моделировании процесса подъема груза, показанного на фиг.2, команда  скорости подъема в течение всего времени оставалась постоянной. Однако понятно, что соответствующий изобретению способ также применим и к ситуации, при которой команда скорости подъема в процессе подъема груза меняется. Например, если бы после обнаружения подтягивания троса, но до того как конечная команда  скорости достигает предельного значения ω команды скорости для динамической нагрузки, команда  скорости подъема упала ниже указанного предельного значения ω команды скорости для динамической нагрузки, контроллер 10 грузоподъемного устройства не остановил бы снижение величины конечной команды скорости на предельном значении ω команды скорости для динамической нагрузки, а произвел бы снижение конечной команды  скорости до уровня новой команды скорости подъема. Другими словами, после того как контроллер 10 грузоподъемного устройства обнаружит факт подтягивания троса, он снижает величину конечной команды скорости по меньшей мере до уровня предельного значения ω команды скорости для динамической нагрузки. Соответственно, после того как контроллер 10 грузоподъемного устройства обнаружит факт отрыва груза от земли, он начнет поднимать величину конечной  скорости только в ситуациях, когда команда скорости подъема превышает предельное значение ω команды скорости для динамической нагрузки.
Поскольку соответствующий изобретению способ позволяет автоматически избегать опасных динамических нагрузок, команда скорости подъема, подаваемая в контроллер грузоподъемного устройства, в момент отрыва груза от земли может быть даже равна максимально допустимой скорости вращения двигателя привода грузоподъемного устройства. Таким образом, оказывается возможным подъем груза с земли производить плавно независимо от опыта и профессиональных навыков оператора привода грузоподъемного устройства. Вот почему соответствующий изобретению способ также хорошо подходит и для автоматических грузоподъемных устройств.
На фиг.1 в качестве грузоподъемного элемента 4 выступает подъемный крюк. В других вариантах осуществления изобретения грузоподъемным элементом может служить любой элемент, позволяющий захватывать груз, например подъемный анкер, вилочный захват или магнитный подъемный элемент.
Положение грузоподъемного элемента 4, которое выше обозначалось буквой z, во многих случаях относится к вертикальному направлению. Однако понятно, что использование изобретения никоим образом не ограничивается вариантами, где груз перемещается только в вертикальном направлении.
Для специалистов в данной области должно быть понятно, что основную идею изобретения можно осуществить множеством различных способов. Таким образом, изобретение и варианты его осуществления не ограничиваются вышеприведенными примерами, а в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения.