Оптимізація перехідних режимів руху вантажного візка прольотних кранів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 621.873

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Оптимізація перехідних режимів руху вантажного візка прольотних кранів

05.05.05 - піднімально-транспортні машини

Ромасевич Юрій Олександрович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Ловейкін Вячеслав Сергійович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, завідувач кафедри конструювання машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вольченко Олександр Іванович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, професор кафедри механіки машин;

кандидат технічних наук, доцент Свіргун Володимир Петрович, Національний технічний університет „Харківський Політехнічний Інститут”, доцент кафедри підйомно-транспортних машин і обладнання.

Захист дисертації відбудеться „12” травня 2010 р. об 11⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.08 при Київському національному університеті будівництва і архітектути за адресою: 03680, м Київ, Повітрофлотський просп., 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектути за адресою: 03680, м Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий „12” квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцентМ.М. Ручинський

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розгойдування вантажу, які виникають протягом перехідних режимів руху кранового візка, є причиною його нерівномірного руху, додаткових навантажень на елементи вантажопідйомної машини. Вони створюють незручності, які загрожують безпеці роботи такелажників, зменшують продуктивність навантажувально-розвантажувальних, транспортних та монтажних операцій. Коливання вантажу ускладнюють прицільне наведення вантажозахватного пристрою на вантаж і укладання вантажу на задане місце. Особливо це відноситься до великогабаритних і довгомірних вантажів. В значній мірі зводяться нанівець переваги автоматизації кранового механізму, оскільки коливальний характер руху вантажу вносить невизначеність у програму автоматизованої роботи крана. Крім того, значно зростають динамічні навантаження на елементи приводу, металоконструкцію та тягові органи крана, які зменшують їх надійність.

В існуючих теоретичних та експериментальних дослідженнях роботи кранових механізмів досить детально розглянуто динаміку їх руху протягом перехідних режимів. Значна увага приділена проблемі усунення коливань вантажу. Однак більшість пропонованих способів вирішення цієї проблеми не задовольняють вимогам сучасних технологічних процесів транспортування вантажу, а якщо задовольняють, то при цьому робота кранів супроводжується великими динамічними навантаженнями та небажаним характером їх зміни в часі. Таким чином, робота кранового візка повинна забезпечувати високу експлуатаційну ефективність крана, при цьому навантаження на механізми пересування візка повинні бути мінімальними.

Приймаючи до уваги велику кількість експлуатованих у даний час кранів і посилення вимог по створенню безпечних умов праці з ними та підвищення їхньої продуктивності, проблема усунення коливань вантажу підвішеного на гнучкому канаті є досить актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувалися згідно з науково-дослідною тематикою кафедри конструювання машин Навчально-наукового технічного інституту (ННТІ) Національного університету біоресурсів і природокористування (НУБіП) України при виконанні ініціативної теми: “Оптимізація режимів руху механізмів ПТМ, що використовуються при механізації виробничих процесів у тваринництві і рослинництві” (номер держреєстрації №0105U007502) та держбюджетної теми № 0109U000953 „Розробка енергоощадних засобів та методів оптимізації режимів руху вантажопідйомних машин у сільськогосподарському виробництві”.

Мета і завдання досліджень. Метою дослідження є усунення повздовжніх коливань вантажу за рахунок формування оптимальних перехідних режимів руху механізму пересування кранового візка та розробка системи, яка забезпечує бажану керуючу дію на візок.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- виконати аналіз існуючих досліджень у напрямку усунення коливань вантажу закріпленого на гнучкому підвісі та зниження динамічних навантажень на елементи кранової конструкції;

- визначити закони керування рухом кранового візка за якими коливання вантажу усуваються протягом перехідних режимів його руху;

- розробити фізичну модель прольотного крана та експериментально в лабораторних умовах дослідити визначені оптимальні закони руху візка з підвішеним до нього вантажем;

- розробити методику проведення експериментів та дослідити основні характеристики руху моделі візка з підвішеним до нього вантажем при різних параметрах системи „візок-вантаж” для оптимального та ручного керування;

- на основі проведених досліджень запропонувати функціональну схему керування рухом кранового візка і приводний механізм, який би реалізовував керуючу дію;

- показати позитивні ефекти від застосування системи керування приводним механізмом, яка реалізує оптимальні закони руху візка та розробити рекомендації щодо покращення характеристик руху.

Об'єкт дослідження - процес переміщення кранового візка з підвішеним до нього вантажем.

Предмет дослідження - закони руху кранового візка при перехідних режимах, які усувають коливання вантажу на гнучкому підвісі.

Методи дослідження - теоретичні дослідження проводились з використанням методів: теоретичної та аналітичної механіки, теорії механізмів і машин, варіаційного, диференціального та інтегрального числення, методів математичного моделювання та статистики, теорії автоматичного керування. Для теоретичних розрахунків використано програми „Mathematica v.5” та „Mathematica v.6”. Для статистичної обробки результатів експериментальних досліджень використано пакет розширення LinearRegression програмного продукту „Mathematica v.6”. Керування рухом візка та збір даних було проведено за допомогою програм „Оптимальні режими руху” та „Експериментальні дані”, створених за допомогою компілятора „Borland Delphi v.6”. Експериментальні дослідження проводились у лабораторних умовах на спроектованій і виготовленій моделі прольотного крана, яка знаходиться в лабораторії динаміки машин кафедри конструювання машин ННТІ НУБіП України із застосуванням запроектованого та виготовленого вимірювального обладнання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1) визначено оптимальні закони руху кранового візка з підвішеним до нього вантажем, при яких коливання вантажу усуваються протягом розгону/гальмування та мінімізуються силові навантаження діючі на кран;

2) запропоновано метод визначення вагових коефіцієнтів в комплексному інтегральному критерії за допомогою постановки додаткових крайових умов руху візка з гнучким підвісом вантажу;

3) встановлено причини, що впливають на виникнення залишкових коливань вантажу, які полягають у: припущеннях, прийнятих при побудові динамічної та математичної моделей руху візка з вантажем; дискретному, без зворотного зв'язку, способі задання швидкості руху візка; впливі параметрів системи „візок-вантаж” на рух візка; неякісним регулюванням моменту приводного двигуна візка.

Практичне значення одержаних результатів. Використання оптимальних законів руху візка у розробленій крановій мехатронній системі дозволяє: усунути коливання вантажу закріпленого на гнучкому підвісі повністю або частково (з амплітудою залишкових коливань менше 1,7⁰); зменшити динамічні навантаження на механізм переміщення візка, забезпечуючи відсутність ударів; скоротити тривалість перевантажувального циклу крана.

На основі проведених досліджень впроваджено в навчальний процес НУБіП України (при проведенні лабораторних робіт з курсу „Мехатроніка” та „Підйомно-транспортні машини”): методику синтезу оптимальних законів руху кранового візка на основі варіаційних методів; рекомендації щодо розробки комп'ютерного керування рухом кранового візка за допомогою частотного перетворювача; методику проведення експериментальних досліджень з визначення основних параметрів руху візка.

На основі результатів досліджень запропоновано структурно-функціональні схеми пристроїв, які реалізують оптимальні закони руху кранового візка і які захищені патентами України на винахід та на корисні моделі. Результати досліджень впроваджені на державному підприємстві „Ніжинський ремонтний завод” та у ТОВ „Прайм-дівелопмент”.

Особистий внесок здобувача. У наукових працях, опублікованих за темою дисертаційного дослідження, здобувачем обґрунтована актуальність проведення досліджень, проаналізовано зміст публікацій за обраною темою. За допомогою варіаційного числення визначено за різними оптимізаційними критеріями (кінематичними та динамічними) закони руху візка з підвішеним до нього вантажем, при яких коливання вантажу усуваються протягом розгону і/або гальмування, а також проаналізовано оптимальні закони руху візка за різними показниками. Спроектовано і виготовлено фізичну модель кранового візка для проведення лабораторних досліджень, розроблено методику та підібрано вимірювально-реєструюче обладнання для експериментального визначення кінематичних характеристик перехідних режимів руху візка з вантажем. Розроблено систему, яка реалізує оптимальне керування рухом візка (у лабораторних умовах). Експериментально досліджено характеристики руху візка при керуванні за оптимальними законами. Встановлено причини виникнення залишкових коливань та обґрунтовано рекомендації, щодо їх усунення. Обґрунтовано структуру мехатронної кранової системи, яка реалізує оптимальне керування, окремих її елементів та загальні алгоритми її функціонування.

Апробація результатів роботи. Основні положення наукових досліджень, що містяться в дисертації, доповідались і отримали позитивну оцінку на: науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2008-2009 р.р.), наукових конференціях професорсько-викладацького складу ННТІ НУБіП України (м. Київ, 2007-2009 р.р.), міжнародній науково-технічній конференції до 110-річчя Національного аграрного університету „Аграрна інженерія в умовах глобалізації” (м. Київ, 2008 р.), IV міжнародній науково-практичній конференції молодих учених і студентів „Перспективна техніка і технології - 2008” (м. Миколаїв), міжнародній науковій конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Львів, 2008 р.), всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективи розвитку агропромислового комплексу в Поліському регіоні України” (м. Ніжин, 2008-2009 р.р.), міжнародній інтернет-конференції „Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки та технологій” (2008 р.), IX міжнародній науково-технічній конференції „Вібрації в техніці та технологіях” (м. Вінниця, 2009 р.).

Дисертаційна робота в повному обсязі була заслухана на розширеному засіданні кафедри Конструювання машин НУБіП України, на з'їзді Підйомно-транспортної академії наук України (м. Харків, вересень 2009 р.), на засіданні кафедри Підйомно-транспортні машини і обладнання Національного технічного університету „ХПІ”, на наукових семінарах при ННТІ НУБіП України та Київському національному університеті будівництва і архітектури.

Публікації. Основні положення та результати дисертаційних досліджень опубліковано у 17 наукових працях, з яких 10 статей у фахових наукових виданнях, 2 тезах доповідей на конференціях, одному патенті України на винахід та 4 патентах України на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Основна частина роботи складає 200 сторінок, на 17 сторінках наведено список використаних джерел, на 102 сторінках викладено додатки. Текст містить 16 таблиць, 65 рисунків. До списку використаних джерел увійшло 158 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і задачі досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення роботи.

У першому розділі „Стан питання й завдання досліджень” наведено аналіз способів підвищення ефективності використання прольотних кранів, вказані причини виникнення динамічних навантажень на їх механізми та металоконструкції, висвітлено способи, які дозволяють усунути коливання вантажу закріпленого на гнучкому підвісі, а також приведено опис систем, які використовуються для реалізації оптимального керування кранами.

Фундаментальні основи дослідження динаміки руху кранового візка з вантажем на гнучкому підвісі викладені у пряцях Комарова М.С., Казака С.А., Дукельского О.І., Ковальського Б.С., Лобова М.О., Гайдамаки В.Ф., Александрова М.П., Григорова О.В., Семенюка В.Ф., Чаюна І.М., Герасимяка Р.П., Ловейкіна В.С, Човнюка Ю.В., Нестерова А.П., Будікова Л.Я. та інших.

Питанням оптимізації режимів руху кранових механізмів присвячені роботи таких вчених: Смєхова А.О., Єрофєева М.І., Григорова О.В., Свіргуна В.П., Герасимяка Р.П., Бушера В.В., Базила Ш., Мельникової Л.В., Зайцева Ю.І., Черноуська Ф.Л., Акуленка Л.Д., Соколова Б.М., Перельмутера М.М., Геронімуса Я.Л., Полякова Л.М., Ловейкіна В.С., Човнюка Ю.В., Будікова Л.Я та інших.

Не дивлячись на досить широке дослідження питання демпфування коливань вантажу деякі способи, які дозволяють усунути коливання вантажу, пов'язані зі значними динамічними навантаженнями на механізм пересування кранового візка, що є небажаним. Деякі способи неможливо реалізувати на практиці. Крім того, не всі способи забезпечують повне усунення коливань вантажу у кінці перевантажувального циклу або не усувають коливання протягом усталеного руху візка на номінальній швидкості. Більшість відомих способів усунення коливань вантажу не забезпечують бажаних режимів руху кранового візка, що не дозволяє у повній мірі використати можливості прольотного крану.

У зв'язку з цим виникає необхідність визначення оптимальних законів руху кранового візка, за якими б коливання вантажу усувались протягом перехідних режимів його руху і які б не призводили до значних динамічних навантажень на елементи кранової конструкції. Важливим питанням також є обґрунтування структури та алгоритмів роботи мехатронної системи, яка б могла реалізувати оптимальне керування рухом кранового візка на практиці. Таким чином, на основі проведеного аналізу вибрано напрям дисертаційного дослідження та сформульовано його завдання.

У другому розділі „Визначення оптимальних законів руху візка з вантажем” викладено методику визначення оптимальних законів руху кранового візка за різними критеріями, при яких коливання вантажу усуваються протягом періоду його пуску, а також досліджено визначені закони за різними показниками якості руху візка.

Для дослідження руху візка з вантажем, який закріплений на гнучкому підвісі, використана двомасова динамічна розрахункова схема (рис. 1), яка приведена в роботах Комарова М.С., Казака С.А., Лобова М.О. та інших. На рис. 1.: m₁ - приведена до поступального руху маса вантажного візка і приводного механізму; m₂ - маса вантажу з захватним пристроєм; x₁, х₂ - координати центів мас відповідно візка та вантажу; g - прискорення вільного падіння; l - довжина гнучкого підвісу вантажу; F - сумарне тягове або гальмівне зусилля, що діє на візок; W - сила опору переміщенню візка.

З врахуванням припущень: малості коливань вантажу (тобто при умові рівності синуса кута відхилення канату від вертикалі самому куту, та рівності косинуса кута відхилення канату одиниці), невагомості канату, а також без врахування дисипативних сил система зображена на рис. 1 описується наступною системою диференціальних рівнянь:

(1)

Крапка над символом означає диференціювання за часом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для проведення оптимізації перехідних режимів руху кранового візка було використано математичний апарат варіаційного числення. В якості критеріїв оптимальності руху візка крана використані: середньоквадратичні відхилення координат центрів мас візка та вантажу протягом перехідного процесу та їхніх вищих похідних за часом:

(2)

а також динамічні характеристики механічної системи „візок-вантаж” - середньоквадратичне приводне зусилля, що діє на візок і його вищі похідні за часом:

(3)

де n - порядок похідної підінтегрального виразу оптимізаційного критерію;

m - максимальний порядок похідної підінтегрального виразу;

t₀, t₁ - моменти часу відповідно початку та завершення перехідного режиму руху;

t - час.

Головна вимога, яка ставилась до оптимальних законів керування, знайдених за допомогою запропонованих оптимізаційних критеріїв: на початку і в кінці перехідного режиму руху візок і вантаж повинні мати однакові переміщення та швидкості. На основі аналізу крайових умов руху візка з вантажем було знайдено мінімальне значення n порядків підінтегральних виразів (2) і (3), при якому б ця вимога виконувалась, а оптимальні закони керування можна було б реалізувати на практиці. Для критерію за виразом (2) n=2, а для критерію за виразом (3) n=0.

Мінімізувати критерії (2) та (3) можна шляхом мінімізації інтегральних частин у виразах цих критеріїв. Умовою мінімуму інтегралів у виразах (2) і (3) є рівняння Ейлера-Пуассона, розв'язком якого є оптимальний закон руху вантажу у часі . У подальшому за допомогою системи (1) знаходився оптимальний закон руху візка , який відповідає екстремалі . При розв'язуванні рівняння Ейлера-Пуассона використовувались несиметричні та симетричні (тобто такі, які вказують значення функції та її вищих похідних, при яких вони набувають в крайніх значеннях аргументу (при та при ), причому в обох значеннях аргументу вказуються одні і ті ж порядки похідних функції) крайові умови.

Рівняння Ейлера-Пуассона для критерію (2) при n=2 має такий вигляд:

(4)

Розв'язком цього диференціального рівняння при крайових умовах: , є рівняння руху вантажу:

(5)

від якого за допомогою системи (1) можна перейти до функції переміщення візка:

(6)

де v - усталена швидкість руху візка.

Графіки функцій переміщення та швидкості візка і вантажу для цього режиму при для усього циклу переміщення візка з вантажем показані на рис. 2.

Рис. 2. Графіки зміни переміщення (а), швидкості (б) візка (cуцільна крива) та вантажу (пунктирна крива), які відповідають законам (5) і (6).

Для проведення оптимізації перехідних режимів руху кранового візка з вантажем також були використані комплексні критерії, які відображають декілька небажаних показників. Комплексна оптимізація проводилась з використанням таких критеріїв: крановий візок вантаж

(7)

(8)

де , - безрозмірні вагові коефіцієнти, які враховують частки відповідно критеріїв та ;

, , - мінімально можливі значення критеріїв , та , які визначаються шляхом розв'язання варіаційних задач для функціоналу за формулою (2) при значеннях n=0, n=1 та n=2.

Умова мінімуму критерію (7) має такий вигляд:

(9)

де Порядок рівняння (9) не дає змоги визначити закони руху візка, при яких коливання вантажу усуваються. Тому була здійснена постановка додаткової крайової умови (це дало змогу визначити закони, за якими коливання вантажу усуваються) за допомогою підбору величини вагового коефіцієнту . Для критерію (8) підбором величини вагового коефіцієнту поставлена додаткова умова дозволила покращити режим руху візка з вантажем.

Розв'язком оптимізаційної задачі (7) з відповідними крайовими умовами є функції, графіки яких приведені на рис. 3 (тут і у подальшому приводимо лише графіки функцій для режиму розгону візка з вантажем).

Рис. 3. Графіки зміни переміщення (а), швидкості (б) візка (cуцільна крива) та вантажу (пунктирна крива) при оптимізації за критерієм (7).

Для проведення оптимізації режимів руху візка за динамічним критерієм (3) при n=1 було розв'язано диференціальне рівняння:

(10)

де . На рис. 4. представлені графіки функцій, які відповідають розв'язку рівняння (10) при крайових умовах:

,

Загалом було визначено 15 оптимальних законів руху візка з вантажем, які проаналізовано за кінематичними та динамічними показниками. Це дозволило розробити алгоритм роботи системи, яка реалізує оптимальну керуючу дію на рух візка.

Рис. 4. Графіки зміни переміщення (а), швидкості (б) візка (cуцільна крива) та вантажу (пунктирна крива) при оптимізації за динамічним критерієм.

До кінематичних показників віднесено: переміщення візка протягом перехідного режиму (х), максимальне відхилення вантажу від вертикалі проведеної з точки підвісу (Дх_max), початкове прискорення візка (), кінцеве прискорення візка (), максимальне прискорення візка (). Динамічні показники включають: початкове динамічне зусилля (), кінцеве динамічне зусилля (), максимальне динамічне зусилля, що діє на візок (). Всі визначені оптимальні закони руху візка усувають коливання вантажу і описуються гладкими функціями, що вказує на плавність руху і незначну динамічну навантаженість механізму приводу візка та металоконструкції крана.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” викладено програму і методику експериментальних досліджень руху кранового візка при „неоптимальному” та оптимальному керуванні.

Використовуючи принципи теорії подібності, розраховано параметри руху фізичної моделі прольотного крану виходячи зі співвідношення між параметрами натурного кранового візка та параметрами його моделі. Враховуючи отримані коефіцієнти подібності, розраховано параметри руху фізичної моделі: номінальна швидкість візка 0,5 м/с, максимальне прискорення візка протягом розгону та гальмування - 1,0 м/с², номінальна маса транспортованого вантажу рівна 191 кг. Для проведення експериментальних досліджень було використано електроталь, яка рухається по двутавровій балці, що встановлена на опорах.

Для керування електродвигуном приводу моделі кранового візка використано частотний перетворювач FR-S540-E-2.2K-EC (Mitsubishi Electric). Параметри руху візка з вантажем визначались за допомогою електронного обладнання: енкодера (ELFA 35-847-60) та потенціометричного датчика кута відхилення канату з вантажем від вертикалі. Датчики закріплені на фізичній моделі візка. Для обробки та запису експериментальних даних використовувалась система збору даних на основі мікроконтролера ATMEL Atmega 8.

Система збору даних працює таким чином. Аналоговий сигнал напруги, пропорційної куту відхилення канату від вертикалі з датчика кута надходить до мікроконтролера та перетворюється в цифрову форму за допомогою внутрішнього 12-ти розрядного аналого-цифрового перетворювача. При русі візка колесо, яке насаджене на вал енкодера обертається і контакти датчика положення візка перемикаються. Це дає змогу формувати імпульси напруги, які надходять в мікроконтролер. Кількість отриманих імпульсів визначає поточне положення візка (величину пройденої відстані). З отриманих даних про положення візка і про кут відхилення канату з вантажем формується цифровий пакет даних (послідовність байтів інформації) та через перетворювач рівнів напруги відправляється на персональний ком'ютер. Мікроконтролер працює з частотою 4 МГц, яку виробляє кварцевий резонатор.

Вся мікроконтролерна систем змонтована на візку. Для передачі даних використовується трипровідна лінія, яка під'єднується до COM-порту комп'ютера. Керування роботою мікроконтролерної системи здійснюється за допомогою спеціально розробленої програми.

Для реалізації оптимального керування рухом візка протягом всього циклу горизонтального переміщення використовується комп'ютерне керування частотним перетворювачем. Таке керування дає змогу розганяти та гальмувати візок за оптимальними законами, які були виведені вище, з врахуванням всіх змінних: відстані переміщення візка, довжини гнучкого підвісу вантажу, маси транспортованого вантажу, номінальної швидкості візка, допустимого прискорення візка та часу перехідних процесів руху.

Суть комп'ютерного керування полягає в наступному: з персонального комп'ютера на частотний перетворювач надходять дискретні значення вихідної частоти напруги живлення двигуна візка. У відповідності з цими сигналами частотний перетворювач змінює вихідну частоту і електродвигун візка змінює швидкість обертання вала, що, в результаті, розганяє або гальмує візок за певними законами руху. Протягом усталеного руху частотний перетворювач підтримує постійну частоту, яка відповідає номінальній швидкості руху. Для формування масиву дискретних швидкостей використовується спеціально розроблена програма „Оптимальні режими руху”.

Апаратна частина реалізації зв'язку між ПК та частотним перетворювачем здійснюється за допомогою послідовного порта RS485, який має частотний переворювач. Конвертація сигналу у відповідності до протоколу зв'язку RS232 (COM) здійснюється за допомогою конвертора інтерфейсів SC-FRPC.

Безпосередні експериментальні дослідження руху фізичної моделі кранового візка заплановано провести в два етапи. На першому етапі досліджувались параметри руху фізичної моделі при ручному керуванні: розгін та зупинка візка здійснювались без маневрування (при лінійній зміні швидкості). Для отримання більш повної інформації про рух візка було обрано три фактори: довжина канату, маса вантажу закріпленого на вантажному гаку, час перехідних процесів руху візка (розгін/гальмування), які варіювались на двох рівнях.

Другий етап експериментальних досліджень полягав у визначенні характеристик оптимального руху візка моделі при варіюванні факторів довжини канату та маси вантажу закріпленого на гаку. Таким чином, для дослідження руху візка за пятнадцятьма оптимальними законами, визначеними у другому розділі, необхідно було провести шістдесят експериментальних досліджень.

Зібраний масив експериментальних даних оброблювався за допомогою методу регресійного аналізу з використанням пакету розширення LinearRegression компьютерної програми „Mathematica v.6”.

У четвертому розділі „Результати експериментальних досліджень” приведено результати визначення режимів руху моделі кранового візка з вантажем при ручному та при оптимальному керуванні. Встановлено, що коливання вантажу на гнучкому підвісі виникають протягом розгону та залишаються після зупинки візка, причому їх амплітуда зростає пропорційно зменшенню тривалості цих режимів. Коливання вантажу після зупинки візка призводять до його залишкових переміщень, що не дає змоги точно навести вантаж на місце посадки.

Експериментальні дослідження проведені при оптимальному керуванні рухом візка показують відхилення канату з вантажем від вертикалі тільки при розгоні та гальмуванні візка. У деяких випадках після гальмування візка залишаються невеликі залишкові коливання, амплітуда яких не перевищує 1,7⁰.

Експериментальними дослідженнями визначено кінематичні характеристики руху візка, які вказують на деякі розбіжності між оптимальним законом руху та визначеним експериментальним шляхом. Штриховою лінією позначені графіки функцій, знайдених теоретично (за виразом (6) та його вищою похідною за часом) при таких параметрах:

Перерахунок даних, зібраних за всіма проведеними експериментами, на параметри натурного кранового візка дав змогу встановити, що максимальні величини відхилень переміщень (від 0,21 до 1,26 м - для розгону та від 0,1 до 1,9 м - для гальмування; у процентному відношенні від 4 до 24% - для розгону та від 2 до 36 % - для гальмування) та швидкостей (від 0,22 до 0,77 м/с - для розгону та від 0,28 до 1,1 м/с - для гальмування; у процентному відношенні від 7 до 45 % для розгону та від 10 до 39 % для гальмування) не дають змогу реалізувати такі закони для точних перевантажувальних операцій.

Аналіз отриманих даних дозволив визначити причини відхилень експериментальних даних від теоретичних, до яких відносяться: вплив припущень, які використовувались при побудові динамічної та математичної моделі; дискретне задання швидкості руху візка; відсутність зворотного зв'язку в системі керування рухом візка; вплив параметрів системи „візок - гнучкий підвіс - вантаж” на рух системи; низькі динамічні характеристики частотного перетворювача. Було вказано шляхи усунення цих причин, серед яких необхідно відзначити: удосконалення системи керування рухом візка, зокрема способу задання швидкості руху візка; введення зворотного зв'язку по параметру керування рухом візка (швидкістю візка); використання частотного перетворювача з кращими динамічними характеристиками.

У пятому розділі „Рекомендації щодо реалізації оптимального керування рухом візка” за результатами досліджень представлено рекоментації щодо структури та принципу дії мехатронної системи керування рухом кранового візка.

Тут пристрій комп'ютерного керування (бортовий комп'ютер) отримує команду від людини-оператора, тобто системі задається мета руху (переміщення вантажу в деяку точку робочої зони з конкретними координатами). При отриманні команди в бортовому комп'ютері виконуються операції обробки інформації отриманої від датчиків та приняття рішень про функціональні рухи. На стратегічному рівні мехатронної системи відбувається планування руху, що означає розбиття задачі руху на послідовність узгоджених у часі елементарних дій, наприклад, таких як виведення захвату (грейфера) на задану позицію, захват вантажу, транспортування вантажу тощо. Тобто на цьому рівні вирішується задача геометричного планування руху робочого органу. Головна задача наступного, тактичного, рівня полягає у видачі програми керування для кожного приводу на виконавчий рівнень. При цьому визначаються закони узгодженого руху всіх ланок крана з врахуванням характеристики приводів, обмежень технологічного характеру (максимальне відхилення канату з вантажем від вертикалі, максимальне прискорення візка протягом перехідних режимів руху). На цьому рівні можуть бути використані визначені оптимальні закони руху візка. Це дає змогу побудувати простіший алгоритм роботи мехатронної системи, оскільки зникає невизначеність положеня вантажу в кінці перевантажувального циклу. Описана в роздіді 3 програма для керування частотним перетворювачем може бути „вбудована” у алгоритм роботи системи на даному рівні, як один з її елементів. На найнижчому, виконавчаму, рівні проходить розрахунок та видача керуючих сигналів на блок приводів. Призначення цього рівня керування полягає у забезпеченні заданих вимог по стійкості, точності руху, якості перехідних процесів. Для виконання якісного руху кранового візка пропонується використати асинхронний електропривод з частотним (векторним) керуванням. Крім того, бажано, щоб частотний перетворювач мав би рекупераційний блок, оскільки крановий візок працює у повторно-короткочасному режимі (з частими пусками та зупинками).

Керування електродвигуном приводу візка полягає у зміні параметру керування (швидкість руху візка або момент на валу його електропривода) за допомогою цифрових керуючих сигналів, які подаються на силовий перетворювач і у відповідності з якими він змінює значення параметру. Для реалізації керуючої дії необхідно здійснити вибір параметру керування:

1) кінематичного (системою керування забезпечується оптимальний “жорсткий” закон зміни швидкості електроприводу, при цьому зміна моменту опору в лінії приводу візка не впливає на його швидкість);

2) динамічного (системою керування забезпечується оптимальний закон зміни моменту приводу візка, при цьому візок розганяється за оптимальним законом зміни швидкості).

У відповідності до приведеної вище класифікації для частотного керування приводом візка можна використати два параметри: частоту напруги живлення двигуна візка, який відповідає кінематичному параметру керування та момент на валу двигуна, який відповідає динамічному параметру керування.

Пропонована система може покращити умови роботи оператора та підвищити продуктивність крана за рахунок скорочення тривалості циклу переміщення вантажу. Крім того, при оптимальному керуванні рухом візка значно зменшуються динамічні навантаження діючі на елементи механізму переміщення візка і, як насідок, підвищується їх надійність.

Висновки

У дисертаційній роботі приведено вирішення важливої наукової та практичної задачі, яка полягає у знаходженні (з подальшою реалізацією) оптимального керування рухом кранового візка, за яким коливання вантажу, підвішеного до візка, усуваються протягом розгону і/або гальмування.

1. Аналіз способів оптимального керування рухом кранового візка та систем для їх реалізації дав змогу встановити, що більшість з них не відповідають умовам усунення коливань вантажу закріпленого на гнучкому підвісі з одночасним зниженням динамічних навантажень, які діють на елементи крана під час розгону та гальмування візка.

2. Одержала подальший розвиток методика визначення оптимальних законів руху кранового візка на основі варіаційних методів. В якості критеріїв, які відображають небажані характеристики руху системи „візок-вантаж” використані інтегральні показники з підінтегральними виразами: середньоквадратичною різницею прискорень візка та вантажу та її вищими похідними; середньоквадратичною динамічною приводною (гальмівною) силою, її вищими похідними; комбінацією одиничних критеріїв (комплексний критерій). Керування рухом візка за всіма визначеними законами усуває коливання вантажу. Аналітичне дослідження визначених законів показало, що рух візка за оптимального керування є плавним, без ударів (для всіх режимів закон зміни динамічного зусилля є неперервним у часі), що вказує на зниження динамічної навантаженості всього крану.

3. Проведено експериментальні дослідження руху візка при ручному керуванні за допомогою створеної моделі прольотного крану, виготовленого вимірювально-реєструючого обладнання та розробленої комп'ютерної програми для керування рухом візка. Аналіз зібраного масиву експериментальних даних показує, що амплітуда коливань вантажу на гнучкому підвісі після зупинки візка залежить від тривалості розгону/гальмування і знаходиться у межах 13⁰-23⁰ для t₁=0,2 с, 5⁰-12⁰ для t₁=1 с. Крім того, після зупинки візка виникають його залишкові переміщення, які у перерахунку для натурного кранового візка (для тривалості розгону/гальмування 0,42 с) знаходяться у межах 0,525- 0,945 м. Ці дані показують наскільки складним може бути точне позиціювання вантажу без спеціальних заходів спрямованих на усунення його коливань.

4. Експериментальним шляхом досліджено оптимальне керування рухом візка, за яким коливання вантажу усуваються протягом розгону та гальмування візка. У деяких випадках залишаються невеликі залишкові коливання, амплітуда яких не перевищує 1,7⁰. Для експериментальних даних кінематичних характеристик руху візка (переміщення, швидкість) у перерахунку на натурний крановий візок встановлено величини максимальних відхилень переміщень (від 0,21 до 1,26 м - для розгону та від 0,1 до 1,9 м - для гальмування; у процентному відношенні від 4 до 24% - для розгону та від 2 до 36 % - для гальмування) та швидкостей (від 0,22 до 0,77 м/с - для розгону та від 0,28 до 1,1 м/с - для гальмування; у процентному відношенні від 7 до 45 % для розгону та від 10 до 39 % для гальмування) візка від заданих. Крім того, встановлено причини цих відхилень. Ці причини не дають змогу реалізувати таке керування для точних (наприклад монтажних) операцій, однак таке керування цілком прийнятне для перевантажувальних операцій.

5. На підставі отриманих у дисертаційній роботі результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблені рекомендації з впровадження оптимальних законів керування рухом візка у мехатронну систему керування краном (у якості елементу тактичного рівня системи). Для реалізації керуючого впливу на рух візка, запропоновано використати асинхронний електропривод з векторним частотним керуванням, який дозволяє звести до мінімуму відхилення переміщення, швидкості та прискорення візка від оптимальних законів, тобто досить якісно реалізувати оптимальне керування на практиці.

6. На основі порівняння тривалостей перехідних режимів руху візка при оптимальному законі його руху та при його розгоні/гальмуванні, який рівний періоду вільних коливань вантажу, показана можливість скоротити робочий цикл візка (при параметрах циклу l=12 м, m₁=1500 кг, m₂=850 кг) на 1,92 с за один цикл переміщення. Передбачуваний економічний ефект від такого скорочення циклу складає 13600 грн. Крім того, наведені переваги оптимального керування у плані зниження динамічних навантажень перед ручним керуванням рухом візка, які дозволяють підвищити надійність роботи крана при виконанні вказаних рекомендацій.

7. Методику синтезу оптимальних режимів руху кранового візка на основі варіаційних методів, рекомендації щодо розробки комп'ютерного керування рухом кранового візка за допомогою частотного перетворювача, а також методику проведення експериментальних досліджень з визначення основних параметрів руху візка впроваджено у навчальний процес кафедри Конструювання машин Технічного ННІ НУБіП України при проведені лабораторних робіт з дисциплін „Підйомно-транспортні машини” та „Мехатроніка”. Крім того, результати досліджень впроваджено на державному підприємстві „Ніжинський ремонтний завод” та у ТОВ „Прайм-дівелопмент”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ловейкін В.С. Зменшення розгойдування вантажів на гнучкому підвішуванні / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О. // Механізація та електрифікація сільського господарства. - 2008. № 92. - С. 524-529. (Здобувачем обґрунтована актуальність проведення досліджень, проаналізовано зміст публікацій за обраною темою).

2. Ловейкін В.С. Про можливість оптимізації режиму пуску механізму пересування кранового візка за різними критеріями / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О. // Підйомно-транспортна техніка. - 2007. - №3. - С. 15-23. (Здобувачем проаналізовано результати оптимізації перехідних режимів руху візка з вантажем за інтегральними критеріями з підінтегральними виразами нульового та першого порядків).

3. Ловейкін В.С. Оптимізація пуску кранового візка за комплексним критерієм / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Підйомно-транспортна техніка. - 2008. -№3. - С. 131-139. (Здобувачем проведено оптимізацію режиму пуску кранового візка з вантажем за допомогою комплексного критерію).

4. Ловейкін В. С. Оптимізація перехідних режимів руху механізма пересування візка вантажопідйомних машин / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. - 2007. - №59, том 2. - С. 452-460. (Здобувачем проведено оптимізацію режиму пуску кранового візка з вантажем за допомогою кінематичного критерію).

5. Ловейкін В.С. Оптимізація процесу пуску механізму пересування кранового візка / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Науковий вісник Національного аграрного університету. - 2008 - № 125. - С. 340-348. (Здобувачем проведено оптимізацію перехідних режимів руху вантажного візка з вантажем при використанні симетричних та несиметричних крайових умов його руху).

6. Ловейкін В.С. Оптимізація перехідних процесів руху кранового візка / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Підйомно-транспортна техніка. - 2008. - №2. - С. 3-14. (Здобувачем проведено оптимізацію режимів руху вантажного візка та запропоновано систему для реалізації оптимальних законів руху на практиці).

7. Ловейкін В.С. Оптимізація перехідних режимів руху кранового візка за комплексним критерієм, що враховує швидкості та прискорення / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Науковий вісник національного університету біоресурсів і природокористування України. - 2009. - № 134 (Частина 2). - С. 218-229. (Здобувачем проведено оптимізацію режиму пуску кранового візка з вантажем за допомогою комплексного інтегрального критерію).

8. Ловейкін В.С. Оптимізація перехідних режимів в руху механізму пересування кранового візка за критерієм швидкості зміни динамічної складової приводної сили / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Збірник наукових праць „Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України”. - 2008. - №12 (26). - С. 322-336. (Здобувачем приведено результати оптимізації пуску кранового візка за динамічним критерієм).

9. Ловейкін В.С. Реалізація оптимального керування рухом кранового візка за допомогою автоматизованої системи / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Підйомно-транспортна техніка. - 2009. - №2. - С. 3-20. (Здобувачем обґрунтовано структуру та загальний алгоритм роботи системи для реалізації оптимального керування крановим візком на практиці).

10. Ловейкін В.С. Експериментальні дослідження оптимальних режимів руху кранового візка / Ловейкін В.С., Ромасевич Ю.О. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. - 2009. - №77. - С. 331-336. (Здобувачем проаналізовано експериментальні дані, отримані при русі візка за оптимальними законами).

11. Пат. 30454 Україна, МПК (2006) В66С 13/04. Пристрій для обмеження розгойдування вантажу, підвішеного до візка крана / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О; заявник та власник Національний аграрний університет. - № u 2007 12485; заявл. 12.11.2007; опубл. 25.02.2008, Бюл. №4.

12. Пат. 87236 Україна, МПК (2009) В66С 13/22, В66С 13/04. Спосіб керування механізмом переміщення кранового візка / Ловейкін В.С., Ловейкін А.В., Ромасевич Ю.О.; заявник та власник Національний університет біоресурсів і природокористування України. - № а 200714372; заявл. 19.12.2007; опубл. 25.06.2009, Бюл. №12.

13. Пат. 31547 Україна, МПК (2006) В66С 13/22. Пристрій для керування електроприводом механізму підйому прогінного крана / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О.; заявник та власник Національний аграрний університет. - № u 2007 14347; заявл. 19.12.2007; опубл. 10.04.2008, Бюл. №7.

14. Пат. 31456 Україна, МПК (2006) В66С 13/00. Пристрій для визначення кінематичних характеристик кранового візка / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О.; заявник та власник Національний аграрний університет. - № u 2007 14363; заявл. 19.12.2007; опубл. 10.04.2008, Бюл. №7.

15. Пат. 27443 Україна, МПК (2006) В66С 13/18. Пристрій для керування гальмуванням візка крана / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Ромасевич Ю.О.; заявник та власник Національний аграрний університет. - № u 2007 08474; заявл. 23.07.2007; опубл. 25.10.2007, Бюл. №17.

16. Ловейкін В.С. Усунення коливань вантажу підвішеного до кранового візка / В.С. Ловейкін, Ю.О. Ромасевич // Збірник тез доповідей конференції науково-педагогічних працівників та аспірантів Навчально-наукового технічного інституту Національного університету біоресурсів і природокористування України, березень 2009 року. - К., 2009. - С. 18-20.

17. Ромасевич Ю.О. Методика проведення експериментальних досліджень з визначення характеристик перехідних режимів руху кранового візка / Ю.О. Ромасевич, В.С. Ловейкін // Матеріали IV міжнародної науково-практичної конференції молодих учених і студентів [„Перспективна техніка і технології - 2008”] (26-28 вересеня 2008 року). - Миколаїв, 2008. - С. 168-171.

Анотація

Ромасевич Ю.О. Оптимізація перехідних режимів руху вантажного візка прольотних кранів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05 - піднімально-транспортні машини. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2010.

У дисертації наведено дослідження направлені на оптимізацію перехідних режимів руху кранового візка, що дозволяє усунути коливання вантажу, закріпленого на гнучкому підвісі та зменшити динамічні навантаження у механізмі приводу візка.

За різними критеріями (кінематичними, динамічними, комплексними кінематичними), які мають вигляд інтегральних функціоналів, оптимізовано перехідні режими руху візка з вантажем. Проведено аналіз визначених оптимальних законів руху, які характеризуються високою плавністю руху візка. Розроблено систему керування для реалізації оптимальних законів руху візка з врахуванням всіх параметрів процесу. Визначено характер зміни кута відхилення канату з вантажем при ручному та при оптимальному керуванні. Встановлено причини залишкових (після зупинки візка) коливань вантажу.

На основі результатів досліджень запропоновано структуру та загальні алгоритми роботи мехатронної системи керування рухом кранового візка, які захищені патентом України на винахід та 4 патентами України на корисні моделі.

Ключові слова: оптимізація, перехідні режими руху, крановий візок, коливання вантажу, динамічні навантаження.

Аннотация

Ромасевич Ю.А. Оптимизация переходных режимов движения грузовой тележки пролётных кранов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 - подъемно-транспортные машины. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2010.

В диссертационной работе приведены исследования направленные на оптимизацию переходных режимов движения крановой тележки, что позволяет устранить колебания груза, закрепленного на гибком подвесе и уменьшить динамические нагрузки в механизме привода тележки.

Теоретические исследования, касающиеся оптимизации переходных режимов движения тележки с грузом, проводились с помощью вариационного исчисления. В качестве критериев применялись интегральные функционалы с подинтегральными выражениями включающими кинематические, динамические и комплексные кинематические функции системы „тележка-груз”. Оптимальные законы движения тележки находились с помощью различных краевых условий, что дало возможность определить 15 законов движения при которых колебания груза устраняются на протяжении розгона/торможения тележки и которые описываются гладкими функциями, что указывает на минимальные динамические нагрузки в механизме перемещения тележки. Все законы были исследованы по различным показателям качества движения.

Разработана система, с помощью которой оптимальные законы движения были исследованы експериментально на физической модели крана. Управляющее воздействие на движение тележки осуществлялось с помощью частотного управления ее электропривода. Управление работой частотного преобразователя, подключенного к электроприводу тележки, было реализовано с помощью разработанной компьютерной программы, в которой оптимальные законы управления расчитывались с учетом параметров: длинны гибкого подвеса, массы груза, максимального ускорения тележки на протяжении пуска/торможения, величины и направления перемещения тележки.

В процессе експериментальных исследований было установлено полное или частичное устранение колебаний груза на протяжении розгона и торможения тележки. Были проанализированны причины остаточных колебаний груза, амплитуда которых не превышает 1,7⁰, а также даны рекомендации по их устранению.

Обоснована целесообразность применения оптимальных законов движения крановой тележки в качестве одного из элементов тактического уровня мехатронной системы крана. Кроме того, было показано, что применение такой системы позволит сократить длительность перегрузочного цикла крана и снизит динамические нагрузки на его элементы.

На основании результатов исследований предложена структура и общие алгоритмы работы мехатронной системы управления движением крановой тележки, которые защищены патентом Украины на изобретение и 4 патентами Украины на полезные модели. Результаты исследований и предложеные рекомендации могут быть использованы при разработке и модернизации систем управления кранами пролетного типа.

Ключевые слова: оптимизация, переходные режимы движения, крановая тележка, колебания груза, динамические нагрузки.

Annotation

Romasevych Y. Gantry cranes trolley transient regimes motion optimization. - Manuscript.

There is a thesis for acquiring of scientific degree of candidate of technical science in specialty 05.05.05 - lifting-transport machines. - Kyiv national university of constructions and architecture, Kyiv, 2010.

In the dissertation represented researches that are directed on optimization of cranes trolley transient regimes of motion. That allows to remove load oscillation (load fastened on a flexible suspension) and to decrease the dynamic loads in the trolley drive mechanism.

The trolley transient regimes of motion by different criteria (kinematics, dynamics, complex kinematics) are optimized. Criteria are of the form of integral functionals. The analysis of the determined optimal laws of motion, which characterized by high smoothness of movement trolley, is conducted. Control system for realization of trolley optimum laws of motion, which taking into account all parameters of process, is developed. The character of change of deflection corner of the rope with a load at hand and at an optimum control is determined. Reasons of residual (after trolley stopping) load oscillation are determined.

Based on the results of researches a structure and general algorithms of work of mechatronic control system by crane trolley motion is offered, which are protected by a 5 patents of Ukraine.

Keywords: optimization, transient regimes of motion, crane trolley, oscillation of load, dynamic loads.

Размещено на Allbest.ru