СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА СТРЕЛОВОГО ТИПА

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах управления и защиты грузоподъемных кранов.
Грузоподъемные краны защищаются от перегрузки и опрокидывания ограничителями грузоподъемности или грузового момента путем отключения рабочих движений (подъем крюка, увеличение вылета), приводящих к росту нагрузки на грузозахватном органе и грузового момента, при превышении нагрузкой на грузозахватном органе величины грузоподъемности, определяемой паспортной грузовой характеристикой крана (см. фиг.1).
max
Величина грузоподъемности Q представляет собой максимально допустимую нагрузку на грузозахватном органе, рассчитанную из условия сохранения прочности всех силовых элементов оборудования крана (грузового каната, стрелы, опорно-поворотного устройства, выдвижных опор и т.д.) и обеспечения необходимого запаса устойчивости крана при подъеме грузов в определенных стандартных условиях (расчетных значениях параметров состояния крана и факторов внешних воздействий, таких как отклонение платформы крана от горизонтального положения при установке на выносные опоры, скорость ветра, состояние механизмов крана и т.д.).
Известна система защиты грузоподъемного крана стрелового типа, содержащая датчики параметров крана, мультиплексор, кодирующий блок, вычислительный блок, демультиплексор, регистр, декодирующий блок, блок усилителей и исполнительный блок (см. патент РФ №2058929, В 66 С 23/90, 27.04.1996. В данном устройстве производится измерение нагрузки, длины и угла наклона стрелы, азимута и количества витков каната на барабане грузовой лебедки с помощью соответствующих датчиков, расчет фактического и допустимого значений величины вылета для данной нагрузки, координат
стрелы и грузозахватного органа относительно границ рабочей зоны и, в случае достижения допустимого значения вылета (грузового момента) или границ рабочей зоны для стрелы или грузозахватного органа, отключение механизмов крана, работа которых может приводить к увеличению грузового момента и выходу оборудования крана за границы рабочей зоны.
Известно также устройство для управления грузоподъемными механизмами, защищенное патентом РФ №2116240, В 66 С 23/90, 07.27.1998). Это устройство содержит датчики параметров крана (длины и угла наклона стрелы, усилия в механизме подъема стрелы и т.д.) и цифровой вычислительный блок, в котором производится сравнение действующего значения нагрузки на грузозахватном органе (крюке) с величиной грузоподъемности на данном вылете, хранящейся во внешнем запоминающем устройстве. При превышении нагрузкой на крюке допустимого значения в цифровом вычислительном блоке вырабатывается управляющий сигнал, передаваемый в исполнительный блок, который производит отключение движений крана, приводящих к росту степени загрузки крана (выдвижения и опускания стрелы, подъема крюка).
Недостатком известных устройств защиты грузоподъемных механизмов путем ограничения грузового момента или нагрузки на грузозахватном органе с помощью ограничителей грузового момента или ограничителей грузоподъемности является возможность перегрузки крана, или, напротив, неполное использование его возможностей, если условия эксплуатации отличаются от стандартных, для которых рассчитаны паспортные грузовые характеристики крана. Аварийные ситуации могут быть вызваны не только превышением нагрузки на грузозахватном органе, но и неквалифицированным использованием кранов, отклонениями от нормы их технического состояния, даже когда перегрузки крана относительно фиксированных паспортных значений грузоподъемности не было (например, произошло снижение устойчивости крана из-за неграмотной установки крана на выносных опорах, либо после срабатывания системы защиты продолжался рост нагрузки при
подъеме груза стрелой и т.п.). В подобных ситуациях использование даже самого точного и совершенного ограничителя грузоподъемности или грузового момента не гарантирует от аварии. С другой стороны, при работе крана в условиях более благоприятных, чем расчетные, ограничение грузоподъемности или грузового момента на уровне фиксированных паспортных значений неоправданно ограничивает эффективность его применения, не позволяя полностью использовать резервы прочности и устойчивости конструкции крана.
Другим недостатком известных устройств является то, что в случае перегрузки они отключают стандартный набор рабочих движений (как правило, движений, ведущих к росту грузового момента) без учета того, чем ограничена грузоподъемность крана в данной точке грузовой характеристики (устойчивостью, или прочностью определенного расчетного элемента конструкции крана). Это также снижает безопасность и эффективность работы крана при применении подобных устройств. Например, известные устройства отключают в случае перегрузки операцию опускания стрелы, даже если она произошла на участке грузовой характеристики, где грузоподъемность ограничена прочностью грузового каната (горизонтальный участок на фиг.1), хотя в этом случае следует отключать подъем стрелы и сохранить операцию опускания стрелы.
Кроме того, параметры, фиксируемые регистраторами параметров, входящими в состав описанных ограничителей грузоподъемности и грузового момента, не дают объективной информации о нагрузках в отдельных элементах конструкции крана в процессе эксплуатации ввиду отсутствия такой информации в известных устройствах.
Еще одним недостатком известных устройств является то, что значения вылета и нагрузки на грузозахватном органе в большинстве случаев не определяются прямыми измерениями, а рассчитываются по достаточно сложным алгоритмам по другим измеряемым параметрам (длине и углу наклона стрелы, усилию в механизме подъема стрелы и т.д.), что требует
повышенной точности измерения параметров и применения достаточно мощных вычислительных устройств для определения значений грузоподъемности и фактической нагрузки на крюке с достаточной точностью.
Существуют также устройства защиты грузоподъемных кранов стрелового типа, повышающие безопасность работы крана в частных случаях. Например, в устройстве по патенту РФ №2271332, В66С 23/88, 13/18, 10.03.2005, помимо вертикальной нагрузки на стрелу учитываются боковые и крутящие нагрузки, действующие на оголовок стрелы. В устройстве по патенту РФ №2271985, В 66 С 13/18, 23/88, 20.03.2005, учитываются некоторые дополнительные параметры работы крана и действия машиниста крана, учитывающие особенности технологического процесса в частных случаях подъема груза. В системе управления большегрузным краном по патенту РФ №2129524, В 66 С 23/88, 13/18, 27.04.1999 помимо ограничения грузового момента производится ограничение крена платформы крана. Однако, в целом, этим известным устройствам также в той или иной степени присущи все перечисленные выше недостатки.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является система защиты грузоподъемного крана стрелового типа, защищенная патентом РФ на полезную модель №38747, В 66 С 23/90, 2004, и использованная в приборе безопасности ОНК-160Б на башенных кранах [Ограничитель нагрузки башенного крана ОНК-160Б. Руководство по эксплуатации. ЛГФИ.408844.025 - 01РЭ, ОАО «Арзамасский приборостроительный завод», с.1-19, 48-49]. Эта система содержит датчики параметров крана, часть из которых объединена в группы по месту расположения на силовых элементах оборудования крана, и цифровой вычислительный модуль, к входам которого подключены внешнее запоминающее устройство и датчики параметров крана, а к выходам - блок аварийной сигнализации, блок визуальной индикации, исполнительный блок и регистратор параметров крана. Известная система позволяет повысить эффективность работы крана за счет отключения только тех движений, которые могут привести к развитию аварийной ситуации, и сохранения всех
остальных движений крана, однако данной системе присущи описанные выше недостатки известных устройств защиты грузоподъемных кранов.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка системы защиты грузоподъемного крана стрелового типа, которая обеспечивала бы повышенную безопасность и эффективность работы грузоподъемного крана. Другой задачей настоящего изобретения является получение объективной информации о характере нагружения отдельных силовых элементов оборудования крана и снижение требований к точности датчиков параметров, используемых в системе безопасности крана.
Поставленные технические задачи достигаются тем, что в системе защиты грузоподъемного крана стрелового типа, содержащей датчики параметров крана, часть из которых объединена в группы по месту расположения, и цифровой вычислительный модуль, к входам которого подключены внешнее запоминающее устройство и датчик максимальной высоты подъема грузозахватного органа, а к выходам - блок аварийной сигнализации, блок визуальной индикации, исполнительный блок и регистратор параметров крана, согласно полезной модели, каждая указанная группа датчиков параметров крана снабжена контроллером, к входам которого подключены датчики, объединенные в данную группу, выходы контроллеров подключены к соответствующим входам цифрового вычислительного модуля, а сам цифровой вычислительный модуль приспособлен для вычисления координат оборудования крана относительно границ его рабочей зоны, нагрузок в силовых элементах оборудования крана и коэффициента запаса устойчивости крана, сравнения вычисленных значений указанных параметров с допустимыми значениями, записанными во внешнем запоминающем устройстве, и, в случае достижения оборудованием крана границы рабочей зоны, или нагрузкой в силовом элементе оборудования крана максимально допустимого значения, или коэффициентом запаса устойчивости крана минимально допустимого значения, формирования сигналов на отключение механизмов крана, работа которых может привести соответственно к выходу
оборудования крана из рабочей зоны, или к росту нагрузки в данном силовом элементе, или к потере устойчивости крана, и формирования сигналов на разрешение остальных движений крана.
Кроме того, система содержит датчик числа витков каната на барабане грузовой лебедки, подключенный к дополнительному входу цифрового вычислительного модуля.
Предпочтительно, исполнительный блок выполнен с возможностью ограничения скорости движения, по меньшей мере, одного механизма.
Цифровой вычислительный модуль может быть дополнительно приспособлен для вычисления вылета и грузоподъемности на данном вылете, сравнения нагрузки на грузозахватном органе с величиной грузоподъемности и, в случае превышения нагрузкой на грузозахватном органе величины грузоподъемности, отключения механизмов крана, работа которых может привести к росту нагрузки на грузозахватном органе и грузового момента.
Кроме того, регистратор параметров крана может быть приспособлен для записи и хранения информации о нагружении силовых элементов оборудования крана в процессе эксплуатации.
Сущность предложенной полезной модели состоит в том, что в системе защиты грузоподъемного крана производится не вычисление и ограничение нагрузки на грузозахватном органе на уровне фиксированной для данной конфигурации оборудования крана грузовой характеристики, а производится вычисление и ограничение нагрузки в силовых элементах оборудования крана, обеспечение необходимого запаса устойчивости крана и нахождения оборудования крана в границах рабочих зон вне зависимости от состояния, конфигурации оборудования, качества установки крана и управления им.
Для этого с помощью датчиков измеряются параметры, необходимые для определения пространственного положения кранового оборудования, расчета фактических значений нагрузок во всех силовых элементах оборудования крана и коэффициента запаса устойчивости крана. Цифровой вычислительный модуль производит вычисление координат оборудования
крана относительно границ его рабочей зоны, нагрузок в силовых элементах оборудования крана и коэффициента запаса устойчивости крана, сравнение вычисленных значений указанных параметров с допустимыми значениями, записанными во внешнем запоминающем устройстве, и, в случае достижения оборудованием крана границы рабочей зоны, или нагрузкой в силовом элементе оборудования крана максимально допустимого значения, или коэффициентом запаса устойчивости крана минимально допустимого значения, формирование сигналов на отключение механизмов крана, работа которых может привести соответственно к выходу оборудования крана из рабочей зоны, или к росту нагрузки в данном силовом элементе, или к потере устойчивости крана, и формирования сигналов на разрешение остальных движений крана.
Определение и ограничение нагрузок в силовых элементах крана и обеспечение минимально допустимого коэффициента запаса устойчивости независимо от причин, вызывающих нагрузки и снижение устойчивости, позволяет предотвратить аварийные ситуации, вызванные действиями машиниста крана (например, при ошибке ввода параметров опорного контура или кратности полиспаста грузового каната), при неграмотной установке крана на выносных опорах (неполный отрыв колес от поверхности площадки, большой начальный крен платформы и т.д.). Система позволяет предотвратить также аварийные ситуации, вызванные внешними воздействиями (например, повышенной ветровой нагрузкой), или отклонениями от нормы состояния механизмов крана (например, «проседание» опор вследствие утечки масла и т.п.). Причем при возникновении предаварийной ситуации отключаются все движения крана, которые могут привести к ее развитию. Это позволяет повысить безопасность работы крана при ухудшении условий его работы по сравнению с условиями расчета грузовой характеристики крана.
В то же время применение предлагаемой системы позволяет автоматически повысить грузоподъемность крана при его работе в условиях более благоприятных, чем в условиях, для которых производится расчет
грузовой характеристики. Кроме того, эффективность работы крана повышается за счет сохранения возможности выполнении других движений в случае возникновения предаварийной ситуации.
При использовании предложенной системы защиты грузоподъемного крана нет необходимости в точном определении вылета, грузоподъемности и массы поднимаемого краном груза, которые используются только для целей индикации и регистрации в качестве справочных величин, поэтому снижаются требования к точности датчиков параметров крана.
Выполнение исполнительного блока с возможностью ограничения скорости движения, по меньшей мере, одного механизма, позволяет снизить динамические нагрузки, так как на кранах с высокими скоростями рабочих движений вычисление нагрузок и запаса устойчивости выполняется с учетом действующих инерционных нагрузок и инерционных нагрузок, возникающих при отключении рабочих движений.
Контроль нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации крана во всех силовых элементах оборудования крана, и запись их в регистраторе параметров позволяет дать достоверную информацию для своевременного и целенаправленного проведения диагностики и ремонта узлов и механизмов крана.
На фиг.1 представлена грузовая характеристика грузоподъемного крана стрелового типа, на фиг.2 - функциональная схема системы защиты грузоподъемного крана с телескопической стрелой.
Система защиты грузоподъемного крана содержит датчики параметров крана, датчик 1 максимальной высоты подъема крюка, датчик 2 числа витков каната на барабане грузовой лебедки, датчик 3 угла наклона гуська, датчик 4 усилия в грузовом канате, датчик 5 длины стрелы, датчик 6 угла наклона стрелы, датчик 7 азимута, датчик 8 крена, датчик 9 усилия в механизме подъема стрелы, датчик 10 усилия в механизме телескопирования стрелы, датчики 11 положения выдвижных опор, датчики 12 усилия в опорах, контроллер 13 оголовка стрелы, контроллер 14 поворотной части, контроллер
15 неповоротной части, цифровой вычислительный модуль 16, внешнее запоминающее устройство 17, блок 18 аварийной сигнализации, блок 19 визуальной индикации, исполнительный блок 20 и регистратор 21 параметров крана.
Цифровой вычислительный модуль 16 связан с внешним запоминающем устройством 17, в котором хранятся значения геометрических параметров и массы элементов конструкции крана, координаты границ рабочих зон оборудования крана, предельные значения нагрузок в силовых элементах оборудования крана (опорах, грузовом канате, секциях и механизме телескопирования стрелы и т.д.) и коэффициентов запаса устойчивости для различных режимов работы крана (режима нормальной работы, режима проведения испытаний, режима работы с опасными грузами и т.д.).
Датчики параметров крана, кроме датчиков 1 и 2, разбиты на три группы по месту расположения на элементах конструкции крана.
Первая группа датчиков параметров крана включает в себя датчик 3 угла наклона гуська и датчик 4 усилия в грузовом канате, выходы которых подключены к входам контролера оголовка крана.
Вторая группа датчиков параметров крана включает в себя датчик 5 длины стрелы, датчик 6 угла наклона стрелы, датчик 7 азимута, датчик 8 крена, датчик 9 усилия в механизме подъема стрелы и датчик 10 усилия в механизме телескопирования стрелы, выходы которых подключены к входам контроллера поворотной части крана.
Третья группа датчиков параметров крана включает в себя датчики 11 положения выдвижных опор и датчики 12 усилия в опорах, выходы которых подключены к входам контроллера неповоротной части крана.
К информационным входам цифрового вычислительного модуля 16 подключены выходы датчика 1 максимальной высоты подъема крюка, датчика 2 числа витков каната на барабане грузовой лебедки, контроллера оголовка стрелы 13, контроллера 14 поворотной части и контроллера 15 неповоротной части крана. Контроллеры 13, 14 и 15 осуществляют нормирование,
преобразование сигналов датчиков в цифровой код, а также их трансляцию по проводной или беспроводной линии связи на входы цифрового вычислительного модуля 16.
К выходам цифрового вычислительного модуля 16 подключены блок 18 аварийной сигнализации, блок 19 визуальной индикации, исполнительный блок 20 и регистратор 21 параметров крана, в котором в режиме реального времени производится запись параметров работы крана и характера нагружения всех основных силовых элементов оборудования крана в процессе эксплуатации.
Цифровой вычислительный модуль 16 представляет собой микроконтроллер со стандартным набором элементов. Он может быть выполнен, например, на микропроцессоре MSP430F149 фирмы «Texas Instruments» (США) и микросхемах для организации последовательного интерфейса двухстороннего канала обмена данными Dolphin фирмы «Texas Instruments», включающих многодиапазонный асинхронный приемопередатчик TRF6903 и специализированную микросхему управления DBB03 (в варианте организации передачи данных по радиоканалу).
Контроллеры 13, 14 и 15 могут быть выполнены, например, на прецизионном аналоговом микропроцессоре серии AduC 702 фирмы Analog Devices (США) с использованием интерфейсных схем, таких же, как и в цифровом вычислительном модуле.
В качестве датчиков для регистрации параметров крана может быть использована серийно выпускаемая продукция Арзамасского приборостроительного завода, например, аналоговые датчики перемещений ЛГФИ.401221.004, ЛГФИ.401221.006, ЛГФИ.401221.008 и их исполнения, или новые разработки цифровых датчиков, в частности, датчик усилия цифровой ДУЦ ЛГФИ.404176.013, и аналогичная аппаратура других приборостроительных заводов.
Система защиты грузоподъемного крана работает следующим образом.
На основе сигналов датчиков параметров крана цифровым вычислительным модулем 16 производится определение координат (пространственного положения) силовых элементов оборудования крана (стрелы, гуська, грузозахватного органа) и расстояния от них до границ рабочих зон, которые в свою очередь определяются конструктивными ограничениями и введенными параметрами координатной защиты, хранящимися во внешнем запоминающем устройстве 17. В случае приближения какого-либо силового элемента к границе рабочей зоны, цифровым вычислительным модулем производится анализ для определения движений крана, которые могут привести к выходу указанного силового элемента за границу рабочей зоны.
На основе сигналов датчиков параметров крана цифровой вычислительный модуль 16 производит определение текущей нагрузки на грузозахватном органе, а также определение текущих нагрузок во всех остальных силовых элементах оборудования крана. Например, по параметрам, замеренным датчиком 5 длины стрелы, датчиком 6 угла ее наклона, датчиком 8 крена поворотной платформы, датчиком 9 усилия в механизме подъема стрелы и датчиком 10 в механизме ее телескопирования, можно рассчитать нагрузки в различных сечениях секций стрелы, механизмах подъема и телескопирования стрелы, в осях крепления стрелы и гидроцилиндров, а также усилие в грузовом канате даже при отсутствии соответствующего датчика 4. Наличие датчика 4 усилия в грузовом канате позволяет автоматически вычислить кратность полиспаста грузового каната и исключить ошибку при ее задании машинистом крана. Нагрузки в элементах опорного контура можно рассчитать по параметрам, замеренным датчиками 11 положения выдвижных опор, датчиками 12 усилия в опорах и датчиком 8 крена.
Текущее значение нагрузки на грузозахватном органе сравнивается в цифровом вычислительном модуле 16 с его грузоподъемностью и в случае
достижения текущим значением нагрузки на грузозахватном органе максимально допустимой величины для данного грузозахватного органа, или достижения оборудованием крана границы рабочей зоны, цифровой вычислительный модуль 16 выдает сигналы на исполнительный блок 20, запрещающие движения крана, приводящие соответственно к росту нагрузки на грузозахватном органе, или к выходу оборудования из рабочей зоны, и разрешающие остальные движения крана.
Одновременно на основе сигналов датчиков цифровой вычислительный модуль 16 производит определение текущих нагрузок в остальных силовых элементах оборудования крана и производит сравнение их с допустимыми нагрузками для этих силовых элементов, хранящимися во внешнем запоминающем устройстве 17. В случае достижения текущим значением нагрузки в любом из указанных силовых элементов оборудования крана максимально допустимой величины, производится анализ с учетом текущего пространственного положения элементов оборудования крана для выявления движений, которые могут привести к росту нагрузки в данном силовом элементе, и выдаются сигналы, запрещающие движения крана, приводящие к росту нагрузки в данном силовом элементе и разрешающие остальные движения крана.
Цифровым вычислительным модулем 16 производится также определение коэффициента запаса устойчивости, равного отношению удерживающего момента к опрокидывающему моменту относительно ребра опрокидывания. Положение ребер опрокидывания определяется по сигналам датчиков 11 положения выдвижных опор. Величину опрокидывающего момента можно рассчитать по значениям нагрузок в опорах, как это описано, например, в авторском свидетельстве СССР №1805094. Величину удерживающего момента можно рассчитать на основе данных о массе и геометрии составных частей крана, хранящихся во внешнем запоминающем устройстве 17, с учетом рассчитанных ранее координат, определяющих
пространственное положение элементов крана и величины крена, замеренной датчиком 8 крена.
При приближении текущего значения запаса устойчивости к его минимально допустимому для данного режима работы значению, цифровым вычислительным модулем 16 проводится анализ для выявления движений крана, которые могут привести к потере устойчивости.
В случае снижения коэффициента запаса устойчивости до минимально допустимого для данного режима работы величины, цифровой вычислительный модуль 16 на основе проведенного анализа выдает на исполнительный модуль сигналы запрета движений крана, которые могут привести к потере устойчивости крана в данных условиях. При этом остаются сигналы разрешения всех остальных движений крана.
Одновременно цифровой вычислительный модуль 16 выдает сигнал на блок 18 аварийной сигнализации, осуществляющий световую и звуковую сигнализацию, и на блок 19 визуальной индикации, формирующий диагностическое сообщение на дисплее.
При вычислении нагрузок в силовых элементах оборудования крана по значениям усилий, замеренных имеющимися датчиками нагрузки 4, 9, 10, 12, и коэффициента запаса устойчивости по значениям нагрузок в опорах, замеренных датчиками 12, влияние действующих инерционных нагрузок учитывается автоматически. Однако на кранах с высокими скоростями рабочих движений следует учитывать также инерционные нагрузки, которые могут возникнуть при отключении рабочих движений. Эти нагрузки определяют с учетом текущих значений скоростей рабочих движений, например, путем дифференцирования по времени значений азимута, угла наклона стрелы и других координат, замеряемых соответствующими датчиками. В этом случае исполнительный блок 20 целесообразно выполнять с возможностью снижения скорости рабочих движений, например, так же, как выполнен модуль блокирования движения подвижного элемента, входящий в систему обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов
грузоподъемного крана, защищенную патентом РФ на полезную модель №38746.
Описанная система является лишь частным примером выполнения системы защиты грузоподъемного крана. Понятно, что в зависимости от типа крана может меняться состав датчиков, перечень определяемых параметров и алгоритмы работы при сохранении сути предложенной системы.
Возможны также ситуации, когда по каким-либо причинам нельзя определить текущие значения нагрузок в некоторых силовых элементах оборудования крана, либо неизвестны для них предельно допустимые значения нагрузок. В этом случае сохраняют функцию ограничения нагрузки на грузозахватном органе в соответствии с паспортной грузовой характеристикой крана, а для повышения безопасности работы контролируют коэффициент запаса устойчивости и нагрузку в тех силовых элементах, для которых заданы ее предельные значения, и в которых возможно определить ее текущие значения, например, в гидравлической опоре, грузовом канате и механизме телескопирования.
Предлагаемая система защиты грузоподъемного крана стрелового типа может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных компонентов и технологий. Специалисту в данной области техники должно быть очевидным, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно предполагается, что настоящая полезная модель охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.