К.т.н. Неженцев А.Б.

Национальный технический университет Украины (КПИ), Киев, Украина

Анализ переходных процессов при торможении мостовых кранов

 

Постановка проблемы. Мостовые краны являются основным средством внутрицехового транспорта. Их механизмы, в соответствии с нормами безопасности, оснащены автоматическими нормально-замкнутыми тормозами, которые имеют ряд недостатков: замыкание колодок на тормозном шкиве носит ударный характер и сопровождается колебаниями тормозного момента; износ накладок в процессе эксплуатации приводит к увеличению зазоров между накладками и шкивом, что повышает динамику замыкания колодок; невозможность управления тормозным моментом в процессе торможения (в том числе при разных по массе грузах); непостоянство коэффициента торможения, зависящего от состояния и чистоты трущихся поверхностей, скорости и др.; неодинаковые тормозные моменты раздельных приводов передвижения, приводящие к перекосам и дополнительным нагрузкам металлоконструкций кранов и т.д. Все это приводит к резкому торможению кранов, значительным динамическим нагрузкам (износу элементов привода и подкрановых путей, трещинам в металлоконструкциях крана), длительному раскачиванию грузов (увеличению времени рабочего цикла), что снижает долговечность машин и их производительность.

Для устранения указанных недостатков большинство крановщиков «распускают» тормоза механизмов передвижения, а торможение осуществляют электродвигателями в режиме противовключения. Это приводит к большим потерям электроэнергии (в три раза превышающим потери при разгоне [1, 2]), повышенному нагреву двигателей (существенно снижающему их долговечность), а также – к авариям в случае внезапного отключения электроэнергии.

Снизить динамические нагрузки и энергопотребление кранов можно путем применения динамического торможения вместо торможения колодочным тормозом или противовключением. При этом механические тормоза используются только как стояночные и аварийные, а торможение крана осуществляется с помощью электродвигателей, работающих в режиме динамического торможения.

Анализ последних публикаций. Работы по исследованию переходных процессов кранов, как правило, посвящены динамическим нагрузкам, определяемым по упрощенным моделям, которые часто не учитывают такие важные факторы как упруго-вязкие свойства металлоконструкции крана, нелинейные механические характеристики привода и др. Несмотря на повышенный интерес к указанной проблеме и многочисленные публикации, отмеченные вопросы до сих пор не решены. Отсутствуют убедительные рекомендации по применению характеристик приводов передвижения кранов в разных тормозных режимах.

В работах по теории электропривода [1, 2 и др.] как правило, используется упрощенный подход, основанный на представлении машины в виде одномассовой модели. Поскольку при этом также не учитываются упруго - вязкие свойства металлоконструкции крана, колебания груза и др., то такой подход для кранов оправдан только при грубой оценке потерь энергии. Публикаций по потерям энергии при торможении кранов практически нет.

Цель работы – определить уровень динамических нагрузок и потерь энергии мостового крана путем анализа переходных процессов при его торможении в разных режимах с учетом всех основных факторов электромеханической системы «электропривод – металлоконструкция – груз».

Для достижения поставленной цели мостовой кран был представлен в виде трехмассовой расчетной схемы (см. рис. 1), описываемой системой нелинейных дифференциальных уравнений [3, 4]

Рис. 1 - Расчетная схема мостового крана

 

                        (1)

где  - приведенные к перемещению колес масса вращающихся частей привода и часть массы моста;  - приведенная к середине пролета масса средних частей моста и порожней тележки;  - масса груза;  - коэффициент жесткости металлоконструкции крана в горизонтальной плоскости;  - коэффициент затухания колебаний металлоконструкции;  - горизонтальная составляющая натяжения канатов при ;  – сила статического сопротивления передвижению крана; , ,  - пути, проходимые соответствующими массами от начала координат;  – приведенная к ходовым колесам сила привода, которая определялась в зависимости от тормозного режима работы электродвигателя (противовключение - , динамическое торможение – ) [4, 5]:

;     (2)                                                ,     (3)

где ; ;  - критический момент двигателя; - критическое скольжение на j-ой механической характеристике; - скорости передвижения крана, соответствующие синхронной и текущей частотам вращения ротора двигателя; - передаточное число привода;  - радиус ходового колеса;  - к.п.д. механизма.

На рис. 2 приведены механические характеристики электропривода передвижения мостового крана в тормозных режимах.

а)                                                                          б)

 

Рис. 2. Механические характеристики электропривода мостового крана г/п 20 т
в режимах: а – противовключения; б – динамического торможения

Суммарные потери энергии в электродвигателе механизма передвижения крана при работе в тормозных режимах [6]:

- противовключения

;                 (4)

- динамического торможения

.        (5)

Интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений (1) с уравнениями (2-5) осуществлялось численным методом с помощью разработанной компьютерной программы [4].

На рис. 3 приведены графики переходных процессов при торможении мостового крана грузоподъемностью 20т в режимах противовключения (рис. 3,а) и динамического торможения (рис. 3,б).

а – торможение противовключением по механической характеристике 3пр

 

б - динамическое торможение с независимым возбуждением

 

Рис. 3. Графики переходных процессов при торможении мостового крана г/п 20 в режимах: а - противовключения; б - динамического торможения

Анализ результатов исследований показал, что применение динамического торможения вместо торможения колодочными тормозами позволяет снизить динамические нагрузки на металлоконструкцию крана в среднем на 20%, амплитуду раскачивания груза после остановки крана - в 4 раза. По сравнению с торможением противовключением также уменьшается энергопотребление крана более чем на 15%. При использовании оптимальных (по обобщенному критерию, включающего параметры нагружения, энергопотребления и производительности) механических характеристик в режиме динамического торможения указанные параметры будут еще лучше.

В отличие от выводов, основанных на рассмотрении упрощенной модели [1, 2 и др.], потери энергии в приводе передвижения крана существенно зависят от вида механической характеристики. Так при торможении мостового крана г/п 20 т в режиме противовключения потери энергии составили от 452 кДж (торможение по характеристике 1пр) до 706 кДж (торможение по характеристике 6пр) т.е. отличаются в 1,6 раза. При динамическом торможении по разным механическим характеристикам потери энергии изменяется еще больше, поскольку тормозной момент двигателя зависит не только от величины сопротивлений в цепи ротора, но и от других факторов (вида возбуждения, величины тока возбуждения, схемы включения обмоток статора и ротора двигателя и др.). Поэтому отличие между потерями энергии при противовключении и динамическом торможении может быть как значительно больше трех раз, так и меньше.

Выводы:- для повышения точности расчетов динамических нагрузок и потерь энергии при торможении кранов необходимо использовать математические модели, учитывающие все основные параметры электромеханической системы «привод – металлоконструкция - груз»;

- для расчёта динамических нагрузок и потерь энергии, с достаточной для инженерной практики точностью, можно приведенную к ходовым колесам тормозную силу электропривода задавать в виде статических механических характеристик (2, 3). Постоянной ее можно принимать только при рассмотрении процесса торможения крана колодочными тормозами;

- одним из эффективных путей снижения динамических нагрузок и энергопотребления кранов является применение динамического торможения вместо механических тормозов и противовключения, что снижает динамические нагрузки на 20-25%, амплитуду раскачивания груза после остановки крана в 3-4 раза, энергопотребление крана более чем на 15%, а также улучшает условия работы крановщиков и перспективы автоматизации управления кранами;

- результаты исследований показывают ошибочность выводов о том, что потери энергии не зависят от вида механической характеристики. Отличие между потерями энергии, полученными при торможении мостового крана г/п 20 т по разным механическим характеристикам составляет в режиме противовключения 1,6 раза, а в режиме динамического торможения с независимым возбуждением – более чем 2,5 раза.

Литература:

1. Основы автоматизированного электропривода / Чиликин М.Г. и др. - М.: Энергия. –1974.- 568 с.

2. Ключев В.И. Теория электропривода. –М.: Энергоатомиздат, 1985.–560с.

3. Будиков Л.Я., Нгуен Н.К., Неженцев А.Б. Исследование динамики грузоподъемных кранов // Вестник машиностроения, №4. - М.: Машиностроение, 1981, - с. 39-42.

4. Аветисян С.М., Неженцев А.Б. Программное обеспечение для исследования переходных процессов грузоподъемных кранов (часть 1: при работе механизмов передвижения) // Підйомно-транспортна техніка, №4(8). - Днепропетровск, 2003. – с. 33-48.

5. Будиков Л.Я., Неженцев А.Б., Фоменко Г.П. К вопросу об учете движущей (тормозной) силы асинхронного электропривода в динамических моделях грузоподъемных кранов // Вісник Східноукраїнського держ. ун-ту, №2(18), серія: Промисловий транспорт. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1999. - с. 170-178.

6. Неженцев А.Б. Моделирование потерь энергии при торможении грузоподъемных кранов // Materialy VII Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka i inowacja - 2011». Volume 16. Techniczne nauki: Przemyśl. Nauka i studia, 2011. – str. 68–70.