система контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин

Формула изобретения

1. Система контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин, содержащая тензометрические датчики нагрузки, установленные на выносных опорах, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходам датчиков нагрузки, бортовой микропроцессор, установленный с возможностью обработки сформированного аналого-цифровым преобразователем информационного массива, управления гидрораспределителем гидроцилиндров опорного контура и выдачи необходимой информации на табло машинисту, отличающаяся тем, что бортовой микропроцессор снабжен релейным модулем, в память бортового микропроцессора введена математическая модель грузоподъемной машины, выполненная с возможностью изменения в зависимости от типа грузоподъемной машины, а параллельно упомянутому гидрораспределителю подключен дополнительный гидрораспределитель, связанный через систему контроллеров с релейным модулем бортового микропроцессора и предназначенный для перераспределения объема жидкости из поршневых областей гидроцилиндров при угрозе опрокидывания грузоподъемной машины.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что бортовой микропроцессор выполнен с возможностью периодического определения положения проекции центра масс на плоскость опорного контура относительно ребра опрокидывания в пределах опорного контура системы, выявления направления смещения проекции центра масс за пределы области гарантированной устойчивости, генерирования сигнала опасного снижения запаса устойчивости и формирования направленного воздействия стабилизирующего характера для ограничения скоростей или блокирования перемещений технологического оборудования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области краностроения и может быть использовано для контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных средств, преимущественно стреловых самоходных кранов.

Известна система защиты стрелового самоходного крана (см. авт. св. N698903. Система защиты стрелового самоходного крана. Зайцев Л.В., Панкрашкин П.В., Копейкина Н.Н., Васин Б.Г., Лифшиц М.И., Махоркин Н.Н., Сысин Р.И., Улитенко И.П. Бюл.43 от 25.11.79), содержащая пороговые преобразователи датчиков нагрузки выносных опор четырехопорного крана, каждые из которых на диаметрально расположенных опорах соединены в две последовательные и две параллельные цепочки, одна из электрических цепей выполнена из последовательно соединенных последовательной и параллельной цепочек, а другая - из последовательно соединенных второй последовательной и второй параллельной цепочек, включенные последовательно с выходным элементом, выход которого связан с блоком сигнализации, состоящим из световых (красных, желтых и зеленых) и звуковых элементов, и системой управления краном.

Система защиты стрелового самоходного крана работает следующим образом. При работе крана по мере приближения опрокидывающего момента к восстанавливающему падает давление в гидроцилиндрах выносных опор, расположенных вне линии опрокидывания, при этом разгружаются две соседние опоры и размыкаются два контакта цепей дополнительного выходного элемента предварительной сигнализации. В этом случае размыкается контакт зеленого светового элемента и замыкается контакт, включая желтый световой элемент, предупреждающий о приближении опрокидывающего момента крана к критическому значению. При дальнейшем увеличении опрокидывающего момента упомянутые опоры еще больше разгружаются и срабатывают пороговые преобразователи цепочек, отключая желтый световой элемент и включая красный.

Недостатком известной системы является низкая надежность, что снижает эффективность использования крана, и невозможность формирования направленного стабилизирующего воздействия при возникновении аварийной ситуации в автоматическом режиме.

Задачей изобретения является повышение производительности и уровня безопасности производства погрузоразгрузочных работ, выполняемых с привлечением мобильных грузоподъемных машин и предоставлении легко воспринимаемой информации оператору о текущей устойчивости системы в реальном масштабе времени в условиях непрерывного технологического цикла погрузоразгрузочных работ. Комплекс поставленных проблем решается применением системы контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин, регистрирующей сигналы и выдающей необходимую информацию на табло машинисту и в случае отсутствия реакции с его стороны подающей команду на аппаратуру системы управления, соответствующим образом реагирующую на эти сигналы.

Указанная задача решена тем, что система контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин, содержащая тензометрические датчики и бортовой микропроцессор, выполнена в виде параллельных линий трубопроводов питания гидроцилиндров, подключенных к управляемому процессором распределителю через систему контроллеров.

Для реализации поставленной задачи контроля устойчивого положения крана во время работы наиболее целесообразным является применение метода определения грузовой устойчивости крана по положению равнодействующей всех сил (проекции центра масс), действующих на кран, относительно опорного контура крана.

В этом методе учитываются также дополнительные воздействия на кран: силы инерции, ветер, уклон рабочей площадки и др., а численное значение коэффициента грузовой устойчивости крана определяется по формуле:

где b' - расстояние от оси вращения до линии направления равнодействующей всех нагрузок, влияющих на устойчивость груженого крана, l - расстояние от оси вращения крана до ребра опрокидывания.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена схема опорной плоскости крановой установки. На фиг.1 показано: 1, 2, 3, 4 - опорные гидроцилиндры; а, b - расстояния от ребер опрокидывания до центра опорного контура; О - центр опорно-поворотного устройства; О' - ось симметрии рамы; W - плоскость подвеса стрелы; С - положение центра масс; Х - расстояние от центра опорно-поворотного устройства до центра опорного контура.

Считая опоры материальными точками, в которых сосредоточена определенная часть массы установки, текущее положение проекции центра масс системы может быть определено следующим образом:

где , - полная масса системы; х_i, у_i - координаты i-й опоры.

С целью учета влияния на устойчивость динамических процессов вместо массы будем рассматривать приведенную к опорам суммарную нагрузку G_k, включающую нагрузки от собственного веса крана, груза, ветровые и инерционные нагрузки. Так как эта нагрузка в результате распределяется по опорам крана, то

G_r=G _i,

где G _i - сумма нагрузок, приведенных к i-м опорам.

Координаты приложения приведенной нагрузки будут определяться выражениями

где G_i - нагрузка, приведенная к i-й опоре.

Координаты опор будут равны (см. фиг.1)

x₁ =x₄=-; x₂=x₄=;

y₁=y₂=b; y₃=y₄ =-b.

Координаты пересечения осей симметрии рамы О'(0; 0).

Координаты проекции оси вращения на опорную плоскость O(-Х₀; 0).

Тогда, исходя из (1), получим

Аналогично

Исходя из этих величин, также можно получить информацию о текущих значениях:

- угла поворота стрелы:

- линейной скорости перемещения:

где Т - период опроса датчиков нагрузки системой управления, за который точка С изменяет свои координаты с x_cj, y_cj до x_c(j+1), y_c(j+1);

- скорости поворота стрелы

где - расстояние от точки С до центра опорного контура;

- угол наклона рамы

где В_i - поперечная база опорного контура, С_i - жесткость опор.

Накапливая в процессе выполнения грузоподъемных операций данные о значениях этих величин, система управления может формировать зависимости (t), v(t), (t), ₀(t) и, проводя экстраполяцию, с определенной вероятностью судить о дальнейшем их изменении.

Выбрав положение проекции центра масс в качестве контролируемого параметра (см. фиг.1) легко показать, что максимальное значение коэффициента запаса устойчивости (к=2), соответствующее гарантированной устойчивости крановой установки, будет при С_x=0 и С_y =0, а минимальное значение (k=1,2), соответствующее опасному снижению запаса устойчивости, будет при (фиг.2).

Правилами устройства и безопасной эксплуатации кранов предусматривается расчет устойчивости ГПМ без динамических нагрузок. Коэффициент запаса устойчивости при статических нагрузках k1,4. Значение коэффициента запаса устойчивости, находящееся в пределах 1,2<k<1,4, соответствует контрольной зоне, служащей для предотвращения аварийных ситуаций. Область этой контрольной зоны будет находиться в пределах опорного контура с диапазоном координат

На фиг.2 показано: 1 - область гарантированной устойчивости; 2 - область опасного снижения запаса устойчивости; 3 - контрольная зона. Нахождение проекции центра масс С внутри области 1 гарантирует устойчивое состояние ГПМ.

При смещении проекции центра масс в контрольную зону 2 необходимо изменить параметры рабочих операций (снизить скорость перемещения, ограничить вылет стрелы, уменьшить момент на валу двигателя), не допуская тем самым попадания центра масс в область опасного снижения запаса устойчивости.

При (k<1,2) проекция центра масс крана (С' на фиг.2) попадает в область опасного снижения запаса устойчивости 2 и ситуация считается аварийной. Создается угроза опрокидывания ГПМ, для предотвращения которой необходимо блокировать все исполнительные системы и осуществить перераспределение (слив) определенного объема рабочей жидкости из поршневых полостей гидроцилиндров, противоположных возможному ребру опрокидывания. Тем самым произойдет равномерная осадка опорного контура крана, что позволит вывести проекцию центра масс в область гарантированной устойчивости.

Алгоритм функционирования системы управления будет следующим:

1. Система управления получает информацию от датчиков нагрузки, установленных на выносных опорах.

2. По формуле (2) определяются текущие значения координат точки приложения приведенной нагрузки С.

3. Проверяется условие нахождения этой точки внутри области гарантированной устойчивости (1).

4. Величина запаса по устойчивости определяет максимально допустимое увеличение нагрузки по отношению к текущему значению.

5. Управляющий сигнал на рабочие механизмы крана формируется таким образом, чтобы этот запас оставался в допустимых по условию (1) пределах.

Постоянный контроль параметров, определяющих устойчивость крана, осуществляется датчиками нагрузки, сигналы с которых поступают на преобразователь с целью представления в удобную для обработки (цифровую) форму.

Сформированный таким образом информационный массив, характеризующий состояние системы, позволяет определить на основании математической модели устойчивости крана текущее значение коэффициента запаса устойчивости.

Фиксация опорных нагрузок осуществляется с помощью интегральных полупроводниковых тензомодулей давления мембранного типа, установленных в напорной гидролинии гидродомкратов опор.

Обработка поступающей информации осуществляется с помощью микропроцессорного модуля на базе микропроцессора с постоянным запоминающим устройством и оперативным запоминающим устройством.

Реализация исполнительной части системы (установка опорного контура) требует минимальной модернизации конструкции гидравлического оборудования опорного контура: параллельно существующему гидрораспределителю устанавливается распределитель, управляемый релейным модулем бортового процессора. Модернизация гидравлической схемы опорного контура показана на фиг.3 (показано пунктиром). Схема содержит гидроцилиндры выносных опор 1, гидроцилиндры аутригеров 2, параллельные гидрораспределители 3, гидрораспределители 4, перепускной клапан 5.

Отличительными чертами системы является: ограничение грузового момента осуществляется не отключением рабочих механизмов при достижении критического значения, а их активным управлением, не позволяющим выйти за допустимые пределы; оператор избавляется от утомительного процесса частого переключения рукояток и постоянного наблюдения за параметрами, от которых зависит точность выполнения заданных функций и безопасность труда; система универсальна, так как основой алгоритмов ее действия является математическая модель ГПМ, находящаяся в памяти бортового микропроцессорного устройства, и может быть изменена в зависимости от типа крана и усложнена (учет колебаний груза на канате, упругости элементов металлоконструкции, деформации гидроцилиндров и т.д.) при предъявлении более жестких требований и по мере развития исследований (т.е. устойчива к моральному старению).