Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ МАШИНА

Поляк-Брагинский Н.В.

ЗАО «Сибирский завод тяжелого машиностроения»

Словосочетание "интеллектуальная машина" (ИМ) известно давно, но в сознании большинства специалистов оно очень часто ассоциируется с экзотикой, по крайней мере, в нашей стране. Под интеллектом понимается умение распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать. Сама ИМ должна иметь возможность стать одной из систем интеллектуального производства (цеха или участка).

Технологии цифровых систем контроля и управления сегодня уже вышли на уровень единых стандартов, массового производства и, как следствие, доступных цен. Сегодня рынок наконец-то созрел для того, чтобы ИМ можно было предлагать заказчику в виде реального продукта дня сегодняшнего.

Уровень интеллекта машины должен соответствовать ценности окружения и происходящих при ее участии процессов. В применении к подъемному крану стимулом для развития его интеллекта должны служить доводы о резком повышении безопасности работы с таким краном для его окружения и персонала. Главной объективной предпосылкой для перевода грузоподъемного крана в разряд ИМ является наличие возможности контроля параметров, влияющих на вероятность падения груза.

Любой подъемный кран имеет набор механизмов и их задач приблизительно один и тот же, речь идет не о количестве механизмов, как таковых, а о количестве и назначении контрольных функций и функций управления.

Для решения поставленной технической задачи, в первую очередь, необходимо провести анализ существующих кранов и их механизмов. Для облегчения задачи построения системы управления необходимо выявить общие составляющие алгоритмов управления разными группами механизмов крана.

Второй составляющей анализа работы крана должно быть выявление процессов, требующих совместного управления несколькими элементарными механизмами или их взаимной блокировки.

Обзор существующих схем крановых механизмов

Практический интерес представляет такой алгоритм управления крановым приводом, который позволит контролировать самые аварийно-опасные элементы механизма при каждом пуске. Исходя из теории надежности, можно утверждать, что при этом вероятность отказа элемента в процессе отработки рабочей операции резко уменьшается.

Для выявления общих для всех крановых механизмов элементов и составляющих алгоритма управления проведем обзор используемых вариантов крановых механизмов.

Все крановые механизмы, несмотря на их большое разнообразие, могут быть разделены на две основные группы - механизмы подъема и механизмы передвижения (поворота).

В минимальной компоновке (рис.1.1 и 1.2) механизм подъема представляет собой лебедку, состоящую из барабана поз.1, вращаемого через редуктор поз.2 электродвигателем поз.3. Торможение лебедки, в случае механизма общего назначения, осуществляется одним тормозом поз.4.

Привод тормозного механизма осуществляется либо электромагнитом постоянного или гидротолкателем, который применяется все чаще.

Для обеспечения возможности контроля скорости перемещения и положения груза может быть установлен датчик поз.5. Наиболее универсальными, в настоящее время, являются импульсные датчики. Выбор типа датчика определяется аппаратным построением системы контроля. Для увеличения надежности, при работе с опасными грузами, устанавливается не менее двух тормозов. Вариант представленный на рис.1.2. с точки зрения системы управления полностью подобен механизму представленному на рис.1.1. Количество барабанов и полиспастных систем определяется требованиями к подвесу груза. При необходимости увеличения мощности механизма количество электродвигателей может быть удвоено с применением суммирующей планетарной муфты. Это решение может быть рекомендовано и для уменьшения зависимости общей надежности механизма от качества системы управления электродвигателем. В случае остановки одного из электродвигателей, второй продолжает работу механизма с пониженной скоростью, но без перегрузки.

Такие механизмы применяются в составе зарубежных и отечественных литейных кранов (рис. 2.2.) и полярных кранах обслуживающих реакторы типа ВВР (рис.2.1.). Применение планетарной суммирующей муфты требует установки дополнительного (аварийного) тормоза, который кинематически жестко связан с барабаном.

Для особо мощных литейных кранов применяется механизм представленный на рис.3. Его особенностью является жесткая связь между барабанами - таково требование правил для исполнения литейных кранов. Такое исполнение механизма выдвигает требование - при неисправности одного из электродвигателей выключать из работы еще один, со второго редуктора. В противном случае на редукторах возникают большие механические перегрузки. В остальном, этот механизм представляет собой сумму из двух механизмов, представленных на рис.2.1.

Для работы с некоторыми специальными грузами типа совков, грейферов или контейнеров применяются механизмы, представленные на рис.4.1 и 4.2. В зависимости от опасности самого груза или процесса производимого с ним на каждую кинематическую цепь барабанов устанавливаются по одному или несколько тормозов.

На рисунках 5 и 6 представлены схемы механизмов передвижения. При применении простейшего механизма привод осуществляется на центральный вал 7, соединяющий колеса 8. Такая схема применима для рам жесткой конструкции с относительно небольшой колеей, например, крановых тележек.

На рисунке 6 представлен механизм передвижения, составленный по принципу "одно приводное колесо - один двигатель". Он позволяет уменьшить влияние неточностей рельсового пути на равномерность движения механизма и, при наличии датчиков положения, устранять возникающие в процессе его движения перекосы.

Выявление процессов, влияющих на общую надежность механизмов крана и требующих контроля

В период с 1984 по 1992 годы на ПО "Сибтяжмаш" существовала система сбора эксплуатационной информации с выпущенных предприятием технологических подъемных кранов. Были произведены наблюдения за кранами разных типов объемом 12474 краномесяца.

Для определения действий, которые могут привести к увеличению надежности машины в целом необходимо сопоставить неисправности и наборы причин, которые могут их вызвать. В каждом конкретном случае определить долю влияния каждой из них затруднительно, но можно продумать систему мер, применение которых может привести к желаемому результату. крановый механизм надежность неисправность

Результат сортировки неисправностей по типам, в порядке убывания их доли в общем количестве неисправностей и их сопоставления с их возможными причинами приведен в таблице 1.

Таблица 1. Анализ причин отказов

Рассмотрим каждую из указанных причин возникновения неисправностей.

1. Взаимосвязанная группа устройств, состоящая из магнитных контроллеров и электродвигателей. Магнитный контроллер, как устройство, имеет ресурс, под номинальной токовой нагрузкой, около 5*10⁵ включений. С таким устройством весьма загруженная, технологическая машина, работающая около 15 часов в сутки с интенсивностью до 360 включений в час, имеет расчетный срок службы до ремонта около 92 дней. Современные частотные приводы имеют ресурс около 6ч8 тысяч часов. Кроме того, применение магнитного контроллера требует применения токоограничивающих резисторов, представляющих собой достаточно объемные и тяжелые устройства, которые при работе разогреваются до больших температур, чем снижают срок службы электропроводки.

При пуске электродвигателя с токоограничивающими резисторами он ударно развивает до 3ч5 раз за пуск максимальный момент, равный 2ч2,5 крат от номинального. Это ведет к дополнительным механическим нагрузкам, как на сам электродвигатель, так и загружает динамическим моментом муфту, редуктор и крепление редуктора к раме. При останове механизма схема управления просто отключает электродвигатель от сети, и останов механизма производится либо самовыбегом, если это возможно, либо тормозом, который в этот момент загружен не только моментом от груза, но и динамическим моментом, что приводит к его повышенному износу. Таким образом, только смена типа привода может привести к уменьшению количества отказов по пунктам 1ч7 таблицы 1 (всего 56,5%). Это произойдет за счет исходного повышения надежности самого привода, а также за счет уменьшения количества и интенсивности динамических воздействий при пуске и останове. Кроме того, если накладывать тормоз только на малых скоростях, исключая моменты аварийных остановов, то его колодки истираются меньше, а также уменьшается вероятность срыва колодок за счет уменьшения мощности торможения.

2. Следующей мерой, защищающей тормозные колодки, может быть управление моментом приложения нагрузки электродвигателем, но в этом случае необходимо отследить момент начала движения якоря (штока) тормоза. Такой вариант системы управления уже отрабатывался при проектировании полярного крана 200т для Воронежской АСТ, [1] стр.132. К сожалению, станция до сих пор не запущена в работу. Ее запуску помешали события 90х годов.

3. При работе механизма подъема большое значение имеет надежность удержания груза на весу. При некоторых эксплуатационных нарушениях, таких как попадание воды на шкив, прокручивание зажатого тормоза (чаще при пуске механизма с грузом вниз) возможна потеря тормозящих свойств обкладками. При этом после останова механизма, возможен разгон его вниз под действием висящего груза. В таком случае единственным способом удержания груза является его "подхват" на двигатель автоматически запущенный вниз. Чем раньше произойдет включение двигателя, тем меньшие перегрузки испытает сам привод и тем меньше будет динамическое воздействие на мост крана и на канатную систему. Таким образом, система управления механизмом подъема должна контролировать положение груза независимо от состояния привода механизма (включен или выключен). Включение двигателя, в таком случае, должно происходить одновременно с аварийной сигнализацией.

4. Для определения тормозящей способности тормоза необходимо периодически контролировать величину натяжения пружины и степень износа его обкладок. Наиболее приемлемым вариантом, естественно, будет вариант автоматического контроля состояния тормоза.

5. Дополнительно, смена типа привода почти автоматически приведет к смене типа элементов пульта управления и конечных выключателей, что может добавить к отмеченным 56,5% отказов, число которых может быть уменьшено, еще 7,73%.

6. 5,67% всех неисправностей приходится на направляющие ролики. При использовании многодвигательного привода механизма передвижения возможно введение в работу системы контроля и регулирования положения перемещаемого механизма относительно рельса. Эта мера уменьшит силовые воздействия на направляющие ролики или реборды ходовых колес. Эти элементы, в таком случае, могут включаться в работу только в редких случаях.

Практически во всех этих случаях присутствует возможность перегрузки, которая может быть исключена как мерами от самой системы управления, в аварийных случаях, так и применением математического моделирования системы при ее проектировании. Большое значение имеет моделирование электропривода в целом и, в частности электродвигателя.

Таким образом, за счет специального подхода к проектированию крана и его системы управления можно воздействовать примерно на 70% причин возникновения неисправностей, что однозначно поднимет надежность крана в целом.

Рис.7

Доказательством возможности управления загрузкой электродвигателя при применении частотного привода может служить расчет загрузки электродвигателя, который выполнялся при наладке привода передвижения моста штыревого крана для КрАЗа. Для определения приемлемых режимов работы были проведены расчеты величины загрузки приводных электродвигателей в зависимости от величины пускового момента. Зависимость величины загрузки электродвигателя от величины пускового момента представлена на рис.7. По оси Х отложены значения пускового момента, а по оси Y - коэффициент загрузки электродвигателя.

Загрузка электродвигателей определялась расчетом тепловыделения для данного цикла работы и сравнения полученного результата с допустимым значением, определяемым по каталогу, через известное значение кпд.

(1)

Где - эффективное тепловыделение электродвигателя при данном режиме, - расчетное значение мощности тепловыделения, полученное из сравнения значений механической и электрической мощностей, рассчитанных при данном режиме работы электродвигателя,

- доля теплосъема, которая не зависит от скорости вращения ротора.

- текущая скорость вращения ротора

- каталожное значение синхронной скорости вращения ротора.

Для учета изменения теплосъема при изменении скорости вращения ротора использовалась формула (1), которая хорошо согласуется с данными многих производителей электроприводов и теорией. Значение В для крановых электродвигателей составляет 0.45, [2] таблица 14-2.

Учитывая то, что определялось только влияние скорости, зависимость (1) выводилась из условия применения модели тепломассобмена при обтекании плоской пластины турбулентным потоком. Использовалось допущение, что скорость и количество охлаждающего воздуха находятся в прямой зависимости от скорости вращения ротора электродвигателя, см. [3] стр.213.

Тепловой расчет производился в программной модели кранового механизма, которая разработана в отделе главного конструктора СЗТМ. Адекватность цифровой модели электродвигателя подтверждается графиком зависимости мощности двигателя от скорости вращения ротора, где линия соответствует расчетной характеристике электродвигателя, а точками нанесены каталожные значения. График представлен на рисунке 8, по оси X отложена скорость вращения, а по оси Y - мощность. Кроме того, значение критического момента электродвигателя приведенное в каталоге очень близко к рассчитанному программой (на графике не показано).

Расхождения входят в поле допуска, определяемое ГОСТ 183 на точность каталожных данных электродвигателя.

Рис.8.

Применение преобразовательной техники позволяет легко управлять таким параметром, как величина пускового момента, что дает возможность устранить зависимость динамики привода от его нагрузки и уменьшить тепловую нагрузку на электродвигатель и механическую на редуктор и остальные элементы механизма. Это позволит решить задачи 2 и 3.

Технически минимизация загрузки двигателя может быть решена установкой скорости нарастания частоты питающего напряжения соответствующей минимальному пусковому моменту, а ограничитель тока должен быть настроен на максимально возможный момент. В этом случае при преодолении механизмом передвижения случайных местных сопротивлений на рельсе, например, стыка, будет развиваться момент необходимый для их преодоления, а в остальных случаях электродвигатель не будет перегружен. Темп разгона при этом не будет зависеть от нагрузки на подвеске.

Решение задачи 4 позволит контролировать исправность тормоза, перед каждым пуском механизма. Развитие алгоритма управления позволит расширить зону контроля, поэтому каждая опасная неисправность может возникнуть только в период выполнения подъемным краном единичной технологической операции, которая длится относительно короткое время, обычно, не более 1 часа. По данным [4] том 1 стр. 50 надежность большинства подъемных кранов разработанных ВНИИПТМАШ составляет 0,96 за 8 часов работы, при средней наработке на отказ составляющей 200 часов. Эта цифра получена из анализа работы подъемных кранов гп 5ч50 тонн, проведенного ВНИИПТМАШ [4] том 1 стр.48. По данным СЗТМ это значение для тяжелых кранов составляет 288 часов, при этом для 1 часа работы надежность составляет 0,997.

Если учесть то, что не каждая неисправность может привести к падению груза, т.е. к аварийной ситуации, можно утверждать, что разумное применение дублирования приводов и контроля даст возможность разработать практически безопасный подъемный кран с вероятностью падения груза около 10^-6. Это возможно т.к. большая часть неисправностей может быть отслежена до того, как механизм начнет работать с грузом.

Еще одним доводом за переход на электронные системы управления может служить экономика.

При сравнении цены электроприводов различных типов сравнивалась стоимость только изменяемых составляющих. В таблице 2 представлены значения стоимости изменяемых частей для момента сдачи заказчику и, через три года. Срок службы контакторных панелей для технологического крана не превышает этот срок, а подтвержденный срок службы частотного преобразователя без замены комплектующих не менее десяти лет, поэтому приведены значения стоимости привода на указанные моменты.

Таблица 2 Стоимостные соотношения для компонентов электропривода

В расчете не учитывалась экономия электроэнергии, которая возникает при работе преобразователей в режиме торможения.

Цены частотных преобразователей взяты из прайс - листа фирмы «Эрасиб» г. Новосибирск. Подобные приводы установлены на штыревых кранах корпуса 25, Братского алюминиевого завода.

Из анализа таблицы 2 видно, что даже без учета веса и стоимости металлоконструкций в момент изготовления крана частотный привод дороже контакторного на 30% - 60%, но в процессе эксплуатации выходят из строя, быстро изнашиваемые и напряженные элементы, которые приходится заменять. И через три года соотношение цен изменяется в обратную сторону.

При проектировании 320т заливочного крана был проведен весовой анализ металлоконструкций при применении различных типов электропривода, который показал, что вес электрооборудования и конструкций для его размещения при переходе на частотный привод уменьшился с 35,6т до 16,9т, одновременно уменьшился вес площадок с 5т до 1,6т.

Приведенный анализ показывает, что перевод подъемно-транспортной техники с контакторного на частотный привод и применение специальных алгоритмов управления, кроме увеличения надежности машины и улучшения ее управляемости приводит к уменьшению ее веса.

Библиографический список

1. Поляк-Брагинский Н.В. Схема управления крановым приводом на базе логических элементов. В сб. тез. Докл. ВНТК «Проблемы развития и совершенствования подъемно-транспортной техники», Красноярск, 1988.

2. М. Г. Чиликин, В.И. Ключев и А.С. Сандлер «Теория автоматизированного электропривода» М. Энергия 1979.

3. А.В. Лыков «Тепломассообмен» (справочник) М. Энергия 1972.

4. «Расчеты крановых механизмов и их деталей» изд.4-е (ротапринтное) под общей редакцией Р.А. Лалаянца ВНИИПТМАШ Москва 1993.

Размещено на Allbest.ru