СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ СТРЕЛОВОГО ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF INCREASING SAFETY (VERSIONS) AND SAFETY SYSTEM OF JIB HOISTING CRANE (VERSIONS)

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использовано в системах защиты и управления стреловых грузоподъемных кранов.
Известен способ защиты грузоподъемного крана от перегрузки путем установки допустимых значений нагрузки для различных угловых положений его стрелы, контроля текущих значений этих параметров в процессе работы крана, сравнения текущего значения нагрузки с допустимым для текущего положения стрелы и формирования предупреждающих сигналов и сигналов управления исполнительными устройствами крана в зависимости от результатов этого сравнения [1].
Устройство для его осуществления содержит датчик нагрузки, подключенный к входу сравнивающего устройства, выход которого соединен с выходным устройством.
Недостатком этого способа и реализующего его устройства является отсутствие защиты грузоподъемного крана от столкновений с препятствиями (отсутствие координатной защиты) при работе крана в стесненных условиях.
Наиболее близким к предложенному является способ повышения безопасности работы стрелового грузоподъемного крана путем предварительного определения и запоминания предельно допустимых значений параметров работы крана, характеризующих нагрузку и пространственное положение его стрелы или грузозахватного органа, определения в процессе работы крана текущих значений этих параметров с использование результатов прямого измерения длины стрелы, а также прямого или косвенного измерения других параметров работы крана, последующего сравнения этих текущих значений с предельно допустимыми и формирования, в зависимости от результатов этих сравнений, предупредительных сигналов и сигналов блокирования движений крана [2, 3].
Система безопасности стрелового грузоподъемного крана, реализующая известный способ, содержит датчик длины стрелы и другие датчики параметров работы крана, исполнительное устройство и соединенный с ним цифровой вычислитель, выполненный с возможностью приема и обработки выходных сигналов датчиков и определения текущих значений параметров, характеризующих нагрузку и пространственное положение стрелы или грузозахватного органа крана, сравнения этих текущих значений с предельно допустимыми, а также с возможностью формирования предупредительных сигналов и сигналов управления исполнительным устройством крана в зависимости от результатов этих сравнений [2, 3].
В известном техническом решении обеспечивается как защита грузоподъемного крана от перегрузки, так и защита от столкновений его стрелы или грузозахватного органа с различными препятствиями (координатная защита).
Однако для реализации этих функций используется прямое измерение длины стрелы. Это измерение на грузоподъемных кранах традиционно осуществляется с помощью датчика длины, выполненного в виде подпружиненного кабельного барабана, снабженного датчиком его поворота. К барабану прикреплен гибкий орган (кабель), охватывающий барабан. Гибкий орган (кабель) натянут вдоль стрелы и своим вторым концом прикреплен к оголовку стрелы.
Такое конструктивное исполнение датчика длины стрелы приводит к низкой надежности системы безопасности ввиду сложности конструктивного исполнения этого датчика и возможности повреждения гибкого органа при работе крана, в частности ветками деревьев.
Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, является повышение надежности и упрощение конструкции системы безопасности путем реализации защиты от перегрузки и/или координатной защиты стрелового грузоподъемного крана с телескопируемой стрелой без использования датчика длины стрелы. Еще одним техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик системы безопасности за счет обеспечения возможности ее функционирования при соприкосновении стрелы крана с ветками деревьев и иными предметами, которые в известном техническом решении приводят к повреждению гибкого органа или к его спаданию с кабельного барабана.
В первом варианте предложенного способа повышения безопасности работы стрелового грузоподъемного крана путем предварительного определения или задания допустимого значения параметра, характеризующего нагрузку крана, его запоминания, определения в процессе работы крана текущего значения этого параметра путем его вычисления с использование результатов прямого и/или косвенного измерения других параметров работы крана, сравнения его текущего значения с допустимым и последующего формирования, в зависимости от результатов этого сравнения, предупредительных сигналов и/или сигналов управления или блокирования управления исполнительным устройством крана указанные технические результаты достигаются за счет того, что при определении текущего значение параметра, характеризующего нагрузку крана, его представляют в виде функции давления в гидроцилиндре подъема стрелы, угла наклона стрелы, а также усилия в грузовом канате или давления в гидроцилиндре телескопирования стрелы. При этом за параметр, характеризующий нагрузку крана, принимают грузовой момент крана, вес поднимаемого груза, нагрузку выдвижных опор крана или нагрузку какого-либо элемента его стрелового оборудования, а функцию, используемую для его вычисления, предварительно определяют с использованием математической модели крана или экспериментальным путем.
В системе безопасности стрелового грузоподъемного крана, реализующей этот способ и содержащей датчики параметров работы крана, исполнительное устройство и соединенный с ним цифровой вычислитель, выполненный с возможностью приема и обработки выходных сигналов датчиков и формирования предупредительных сигналов и сигналов управления исполнительным устройством, эти технические результаты достигаются тем, что цифровой вычислитель выполнен с возможностью вычисления текущих значений параметра, характеризующего нагрузку крана, с использованием выходных сигналов датчика давления в гидроцилиндре подъема стрелы, датчика угла наклона стрелы, а также датчика усилия в грузовом канате или давления в гидроцилиндре телескопирования стрелы.
Во втором варианте предложенного способа повышения безопасности работы крана путем предварительного определения или задания допустимых значений параметров, характеризующих нагрузку и пространственное положение его стрелы или грузозахватного органа, определения в процессе работы крана их текущих значений путем вычислений с использование результатов прямого и/или косвенного измерения других параметров работы крана, последующего сравнения вычисленных значений с допустимыми и формирования, в зависимости от результатов этих сравнений, предупредительных сигналов и/или сигналов управления исполнительным устройством крана указанные технические результаты достигаются за счет того, что указанные вычисления осуществляют с использованием текущего значения длины стрелы, которое измеряют косвенным методом на основании результатов измерений других параметров работы крана.
При этом косвенное измерение длины стрелы L осуществляют путем ее вычисления на основании результатов измерений давления в гидроцилиндре подъема стрелы и угла наклона стрелы α в тех интервалах времени, в течение которых отсутствует нагрузка на грузозахватном органе, либо на основании результатов измерения центробежного ускорения последней выдвижной секции стрелы, угла наклона α и угловой скорости стрелы ω в тех интервалах времени, в течение которых происходит поворот стрелы вследствие ее подъема/опускания или поворота крановой платформы.
2
В последнем случае длину стрелы L вычисляют по формуле L=(U- gSinα)ω, где U - выходной сигнал акселерометра, ось чувствительности которого параллельна оси стрелы; а g - ускорение свободного падения.
Для достижения указанных технических результатов угловая скорость стрелы ω, обусловленная подъемом или опусканием стрелы, может определяться путем дифференцирования сигнала датчика угла наклона стрелы или с помощью гироскопического устройства, выполненного в виде гиротахометра или вибрационного гироскопа, прикрепленного к стреле крана. Угловая скорость стрелы ω, обусловленная поворотом крановой платформы, может определяться путем дифференцирования сигнала датчика угла азимута поворотной платформы крана, либо с помощью аналогичного гироскопического устройства, прикрепленного к стреле или к поворотной платформе крана.
Косвенное измерение длины стрелы L может осуществляться также путем ее вычисления, в частности, по формулам L=ΔR/(Cosαl-Cosα2) или L=ΔR/(ΔαSinα), на основании результатов измерения изменения угла наклона стрелы (Δα=α1-α2) и соответствующего ему изменения вылета ΔR, которое определяют путем интегрирования выходного сигнала акселерометра, расположенного на последней выдвижной секции стрелы, в тех интервалах времени, в течение которых осуществляется изменение угла наклона стрелы α.
При этом дополнительно может осуществляться контроль телескопирования стрелы с последующей коррекцией результата вычисления длины стрелы в зависимости от скорости, ускорения или перемещения последней выдвижной секции стрелы вдоль ее оси, которую/которое определяют путем измерения скорости работы привода телескопирования стрелы или при помощи акселерометра, закрепленного на этой секции стрелы.
В системе безопасности стрелового грузоподъемного крана, реализующей второй вариант предложенного способа, содержащей датчики параметров работы крана, исполнительное устройство и соединенный с ним цифровой вычислитель, выполненный с возможностью приема и обработки выходных сигналов датчиков и определения текущих значений, по меньшей мере, одного параметра, характеризующего нагрузку или пространственное положение его стрелы или грузозахватного органа, сравнения этих текущих значений с предельно допустимыми, а также с возможностью формирования предупредительных сигналов и/или передачи на исполнительное устройство сигналов управления или блокирования движений крана в зависимости от результатов этого сравнения, указанные технические результаты достигаются тем, что цифровой вычислитель выполнен с возможностью вычисления текущего значения длины стрелы с использованием выходных сигналов датчиков других параметров работы крана и с возможностью последующего определения указанного текущего значения параметра, характеризующего нагрузку или пространственное положение стрелы или грузозахватного органа крана, с использованием вычисленного текущего значения длины стрелы.
В состав указанных датчиков параметров работы крана, в общем случае, могут входить датчики давления в гидроцилиндре подъема стрелы, угла наклона стрелы, акселерометр, закрепленный на последней выдвижной секции стрелы, гиротахометр или вибрационный гироскоп, прикрепленный к стреле или к поворотной платформе крана, а также датчики угла азимута, скорости телескопирования стрелы или работы привода телескопирования.
Для достижения указанных технических результатов цифровой вычислитель системы безопасности может быть также выполнен с возможностью вычисления длины стрелы с использованием записанной в его запоминающем устройстве функциональной зависимости этой длины от центробежного ускорения последней выдвижной секции стрелы, измеряемого посредством прикрепленного к ней датчика ускорения, и угловой скорости стрелы, измеряемой посредством гиротахометра или вибрационного гироскопа, или путем дифференцирования выходного сигнала датчика угла азимута.
Система безопасности стрелового грузоподъемного крана с указанными отличительными признаками обеспечивает защиту крана от перегрузки и от столкновений с различными препятствиями при работе в стесненных условиях (координатную защиту) без использования датчика длины стрелы. Благодаря этому исключаются недостатки, присущие известным техническим решениям. Соответственно эти отличительные признаки находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением технического результата данного изобретения.
На фиг.1 в качестве примера приведена одна из возможных функциональных схем системы безопасности грузоподъемного крана. На фиг.2 - чертеж стрелы крана, поясняющий метод косвенного измерения ее длины.
Система содержит цифровой вычислитель 1, именуемый также электронным блоком, контроллером, блоком индикации, блоком обработки данных и т.п., и датчики параметров работы грузоподъемного крана 2 (фиг.1).
Цифровой вычислитель 1 выполнен на основе микроконтроллера 3, к которому подключены органы управления вычислителем (кнопки, клавиши) 4, индикаторы (светодиодные, символьные жидкокристаллические, акустические и т.п.) 5, энергонезависимое запоминающее устройство (микросхемы Flash-памяти) 6 и устройство ввода/вывода информации 7.
В случае применения в системе датчиков 2 с аналоговыми выходами устройство ввода/вывода информации 7 содержит аналого-цифровой преобразователь, а при применении цифровых датчиков - трансивер или контроллер мультиплексного канала обмена данными, в частности последовательного интерфейса типа CAN (Control Area Network) или LIN (Local Interconnection Network). Возможно также подключение датчиков 2 с использованием в устройстве ввода/вывода информации 7 беспроводного интерфейса (ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi и т.д.).
Выходное устройство 8 выполнено, в частности, в виде силового электронного блока с дискретными, пропорциональными или широтно-импульсными выходными сигналами. Его вход или двунаправленные входы/выходы подключены к устройству ввода/вывода информации 7 при помощи отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными. Выходное устройство 8 может быть выполнено на основе микроконтроллера и подключено к этому мультиплексному каналу обмена данными аналогично подключению датчиков 2. Кроме того, отдельные датчики 2, включая концевые выключатели и датчики аналоговых параметров, могут быть подключены непосредственно к выходному устройству 8.
Выходное устройство 8 может содержать электромагнитные пускатели или электромагнитные клапаны, включенные в гидравлическую или электрическую систему управления краном.
Датчики 2 включают в себя, в частности, датчик давления в гидроцилиндре подъема стрелы 10, датчик угла наклона стрелы 11, акселерометр 12, установленные на последней выдвижной секции стрелы, и гироскоп 13, установленный на этой секции или на поворотной платформе крана.
Система может содержать также различные дополнительные датчики 14, к которым относятся датчик угла азимута, датчик давления в гидроцилиндре привода телескопирования стрелы или датчик скорости этого привода, датчик предельного подъема грузозахватного органа (концевой выключатель), датчик усилия в грузовом или стреловом канате, датчик приближения к линии электропередачи, датчики перемещений органов управления краном, датчик скорости ветра и т.п. Отдельные датчики, показанные на фиг.1, могут отсутствовать. Конкретный набор датчиков зависит от конструкции грузоподъемного крана и варианта реализации системы безопасности.
Управление (пуск, остановка и/или регулирование скорости) приводами исполнительных механизмов крана 15 осуществляется с помощью органов управления грузоподъемным краном 16, воздействующих на приводы исполнительных механизмов крана 15 непосредственно (ручное управление) или через цифровой вычислитель 1 (автоматизированное управление).
Система безопасности работает следующим образом.
Перед началом работы крана крановщик (оператор) при помощи органов управления 4 цифровым вычислителем 1 вводит в микроконтроллер 3 параметры, определяющие режимы работа крана - положение выдвижных опор, кратность запасовки грузового полиспаста, наличие, длину и угол наклона гуська и т.д., если для данной конструкции крана ввод этих параметров является необходимым. Введенные параметры сохраняются в энергонезависимом запоминающем устройстве 6 или в памяти (в EEPROM) микроконтроллера 3.
Зона допустимых значений положения стрелового оборудования крана вводится крановщиком при задании параметров координатной защиты при помощи органов управления 4 и также сохраняется в памяти микроконтроллера 3 или в запоминающем устройстве 6. В этой же памяти хранятся предельно допустимые значения параметров, характеризующих нагрузку крана и представленных, например, в виде его грузовых характеристик.
Инициирование управления приводами 15 крана осуществляется путем перемещения крановщиком органов управления (рукояток, рычагов и т.п.) 16, например электрических джойстиков, в соответствующих направлениях. Уровни сигналов управления приводами 15 либо определяются микроконтроллером 3, либо формируются путем ограничений управляющих воздействий оператора на органы управления краном 16.
Микроконтроллер 3 работает по программе, записанной в его памяти или в запоминающем устройстве 6, и через устройство ввода/вывода информации 7 по мультиплексному каналу обмена данными или по отдельным линиям связи получает от датчиков 2 значения параметров работы крана. На основании этих значений микроконтроллер 3 определяет пространственное положение механизмов и нагрузку крана. Для определения текущих значений параметров, характеризующих нагрузку крана и/или текущее положения его стрелы или грузозахватного органа, в общем случае используется математическая модель крана, записанная в памяти микроконтроллера 3 или в запоминающем устройстве 6.
Далее микроконтроллер 2 осуществляет сравнение текущих значений параметров, характеризующих нагрузку и пространственное положение стрелы или грузозахватного органа крана, с допустимыми значениями этих параметров и формирует, в зависимости от результатов этого сравнения, предупредительные сигналы для крановщика, поступающие на индикаторы 5, а также сигналы управления или блокирования управления приводами исполнительных механизмов крана 15, обеспечивающие предотвращение превышения допустимых значений этих параметров. Благодаря этому осуществляется защита крана от перегрузки и от столкновений с препятствиями (координатная защита).
При вычислении текущего значения параметра, характеризующего нагрузку крана (грузового момента, веса поднимаемого груза, нагрузки выдвижных опор крана или нагрузки какого-либо элемента его стрелового оборудования), этот параметр в первом варианте системы безопасности представлен в виде функции давления в гидроцилиндре подъема стрелы и угла наклона стрелы. Поскольку его значение зависит от положения центра тяжести стрелы с грузом, для повышения точности определения этого параметра в качестве третьего аргумента этой функции используется усилие в грузовом канате или давление в гидроцилиндре телескопирования стрелы, измеряемое с помощью соответствующего датчика 14. Указанная функция определяется расчетным или экспериментальным путем и предварительно записывается в запоминающее устройство 6.
Во втором варианте реализации предложенного способа для определения текущих значений параметров, характеризующих нагрузку крана и пространственное положение его стрелы или грузозахватного органа, микроконтроллер 3 использует информацию о длине телескопируемой стрелы. Поскольку датчик длины стрелы в системе безопасности не используется, эта длина вычисляется микроконтроллером 3 на основании выходных сигналов датчиков других параметров работы крана 2.
Для этого может быть использовано то обстоятельство, что при отсутствии нагрузки на грузозахватном органе, например при подводе грузозахватного органа к грузу из транспортного положения или после выполнения разгрузки, и фиксированном угле наклона стрелы величина давления в гидроцилиндре подъема стрелы однозначно определяется длиной стрелы. Функциональная зависимость длины стрелы от угла ее наклона и давления в гидроцилиндре подъема стрелы также предварительно определяется, например, расчетным путем с использованием математической модели крана и записывается в запоминающее устройство 6.
Другой вариант вычисления длины стрелы базируется на измерении центробежного ускорения последней выдвижной секции стрелы с помощью установленного на ней акселерометра (фиг.2).
2
Если телескопирование стрелы отсутствует, то при подъеме/опускании стрелы или при повороте крановой платформы акселерометр движется по дуге окружности с центром в точке О. Центробежное ускорение, измеряемое акселерометром 12, ось чувствительности Х которого направлена вдоль стрелы (фиг.2), определяется по формуле al=ωL, где L - длина стрелы (радиус поворота), а ω - угловая скорость поворота стрелы (угловая скорость подъема/опускания стрелы ω или поворота платформы ω').
На акселерометр 2 по оси Х действует также статическая составляющая ускорения свободного падения g: а2=gSinα.
2
Поскольку выходной сигнал акселерометра U определяется суммой ускорений al+а2, длину стрелы L микроконтроллер 3 вычисляет по формуле L=(U-gSinα)/ω.
При этом угловая скорости стрелы ω или ω' измеряется путем дифференцирования выходного сигнала датчика угла наклона стрелы α или датчика угла азимута, либо с помощью гироскопа 13, установленного на стреле или на поворотной платформе крана и выполненного в виде гиротахометра или вибрационного гироскопа, принцип действия которого базируется на измерении сил Кориолиса.
Если при этом осуществляется телескопирование стрелы, то при вычислении микроконтроллером 3 длины стрелы по указанной формуле дополнительно вводится поправка, зависящая от скорости, ускорения или линейного перемещения последней выдвижной секции стрелы вдоль ее ости. Эта поправка вычисляется микроконтроллером 3 с использованием выходного сигнала датчика скорости работы привода телескопирования стрелы или дополнительного акселерометра.
Длина стрелы может быть вычислена микроконтроллером 3 также в процессе ее подъема/опускания путем контроля изменения вылета ΔR и соответствующего ему изменения угла наклона стрелы (Δα=α1-α2) по формуле L=ΔR/(Cosα1-Cosα2). При малой величине Δα может быть использована упрощенная формула L=/(ΔαSinα).
2
Изменение вылета ΔR при этом может быть определено путем путем преобразования и интегрирования сигнала акселерометра 12. В этом случае используется двухосевой X, Y акселерометр 12 (фиг.2), а интегрированию с целью определения величины ΔR, осуществляемому микроконтроллером 3, подвергается горизонтальная составляющая ускорения с исключением из нее центробежного ускорения ωL.
Для документирования работы крана система может содержать встроенный или внешний регистратор параметров, реализованный на основе запоминающего устройства 6, в который микроконтроллер 3 записывает значения параметров работы крана (нагрузки, пространственного положения стрелы и т.п.), предупреждающих сигналов и сигналов управления краном с целью их последующего считывания для анализа на ЭВМ для оценки эффективности использования крана, контроля соблюдения установленных правил его эксплуатации и для расследования причин возможных отказов и аварий.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенной системы безопасности грузоподъемного крана. Изобретение охватывает ее другие возможные варианты исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.
Источники информации
1. SU 1654256 A1, B66C 23/90, 07.06.1991.
2. US 5730305 A, B66C 13/16, 13/18, 24.03.1998.
3. RU 2282577 C2, B66C 23/88, 15/00, 27.08.2006.