Jerzy U CIŃ SK I
WPŁYW SPOSOBU STEROWANIA NA OBCIĄŻENIA DYNAMICZNE W MECHANIZMIE JAZDY SUWNICY
Streszczenie. W artykule przedstawiono ocenę obciążeń dynam icznych w ystępujących w m echanizm ach jazdy suwnic pom ostowych z napędem elektrycznym z uwzględnieniem sposobu sterow ania. W pierwszej części pracy podkreślono w pływ na wielkość i charakter obciążeń takich czynników , jak: oscylacyjny przebieg m om entu elektrom agnetycznego silnika, luzy w ystępujące w mechanizm ie, poślizgi na kołach napędowych, ukosow anie mostu suwnicy. W drugiej części pokazano mikroprocesorowy układ sterow ania napędem falow nikow ym oraz je g o możliwości ograniczania obciążeń dynam icznych w elementach napędu.
THE INFLUENCE OF CONTROL SYSTEM ON DYNAMIC LOADINGS IN THE TRAVELLING MECHANISM OF OVERHEAD CRANE
Sum m ary. In the paper some dynamic loadings in electrom echanical drive o f the travelling m echanism for different stage o f facility operation are presented. It was given special attention on possibilities o f the reduction dynamical loads in electrom echanical drive supplied via a frequency converter. Advantages o f the microprocessor bared control system in com parison w ith traditional system were presented.
1. W STĘP
W klasycznie zbudow anych m echanizm ach jazdy suwnic pom ostow ych (w yposażonych w silniki asynchroniczne) w okresach ruchu nieustalonego w ystępują znaczne obciążenia dynam iczne o charakterze oscylacyjnym . Ich wielkość w niektórych przypadkach może przekraczać 10-krotnie wartość obciążeń w ystępujących w ruchu ustalonym. Przyczynam i tak znacznych obciążeń są:
184 J. Uciński
- silnie oscylacyjny przebieg m om entu elektrom agnetycznego silnika w m om encie jego załączenia do sieci,
- luzy w ystępujące w mechanizm ie, - poślizg na kołach napędow ych, - ukosow anie m ostu na torze, - w ahający się na linach ładunek.
O bciążenia w ystępujące w elem entach m echanizm u jazdy zm ierzone w czasie pracy na suwnicy pom ostow ej o udźw igu Q = 50 kN i rozpiętości L = 20 m w yposażonej w dwa indyw idualne napędy, uw zględniające ww. czynniki, pokazano w pierwszej części pracy. W drugiej części przedstaw iono m ożliw ości zm niejszania tych obciążeń w napędach z silnikami klatkow ym i zasilanym i poprzez przetwornice częstotliw ości, w yposażonym i w m ikro
procesorow e układy sterowania.
2. O B C IĄ Ż E N IA W K LA SY C ZN Y C H M ECH A N IZM A CH JAZDY
W ybrane przykłady zm ierzonych obciążeń dynam icznych w ystępujących w czasie eksploatacji w indyw idualnych napędach z silnikam i pierścieniow ym i pokazano na ry s.l.
Pom iarów obciążeń (m om entów skręcających) dokonyw ano na w ale szybkoobrotow ym oraz na w ale koła każdego z m echanizm ów. O dpowiednio, na ry s.l.a. przedstaw iono przebiegi obciążeń w ystępujących na w ałach szybkoobrotow ych prawego i lewego napędu w czasie rozruchu i ham ow ania m ostu suwnicy. Rozruch silników pierścieniow ych przeprowadzano przy w ykorzystaniu charakterystyk regulacyjnych (rys.2.a), a ham owanie - za pom ocą ham ulców m echanicznych. Jednocześnie na rysunku pokazano przebiegi prędkości jazdy prawej i lewej czołow nicy m ostu. W idoczne na rysunku, a nie znikające po zatrzym aniu m ostu obciążenia dynam iczne w m echanizm ach, są w ynikiem oddziaływ ania na napęd wahającego się na linach ładunku.
N a ry s.l.b . pokazano w pływ oscylacyjnego charakteru m om entu elektrom agnetycznego silnika - M s na w ielkość obciążeń dynam icznych w ystępujących na w ale szybkoobrotowym M l2 i na w ale koła - M w początkowej chwili ruchu po załączeniu silnika. W ybrano przy tym przypadek rozruchu m echanizm u bez w stępnego napięcia, a wielkość luzu zredukowanego na wał silnika w ynosiła ok. 0.35 rad. Przebiegi zarejestrowano przy dużej prędkości przesuwu taśm y rejestrującej. Jednocześnie dla porów nania wielkości obciążeń dynam icznych w ystępujących na wale koła w stosunku do oporów ruchu pokazano przebieg oporów ruchu zredukow anych na wał koła jako - M 2
Inny charakter obciążeń w ystępuje w mechanizm ie w czasie poślizgu na kołach napędow ych. Ten przypadek obciążeń pokazuje ry s.l.c. Przedstawiono tu przebieg momentu skręcającego - M , w ystępującego w w ale koła w czasie rozruchu i ham ow ania z poślizgiem.
Szczególną uw agę należy zwrócić na dynam ikę napędu w czasie dojazdu m ostu do zadanych położeń na torze, realizow anego poprzez ręczne sterowanie przez operatora.
Najczęściej dojazd realizowany je st poprzez krótkotrwałe przem ienne załączanie silnika i ham ulca m echanicznego, a dla napędów z silnikami pierścieniow ym i - ham ow ania silnikiem.
W podobny sposób operator steruje ruchem suwnicy chcąc szybko w ytłum ić wahający się na linach ładunek w m iejscu rozładunku. Zam odelow any proces takiego ruchu przedstawiono na rys.2. Po okresie ruchu ustalonego, w czasie ham owania i po pierw szym zatrzym aniu mostu realizow any je st korygujący ruch dojazdowy polegający na krótkotrw ałym rozruchu, a następnie ham ow aniu napędu jazdy. Odpow iednio na rys.2.a. przedstawiono schem at napędu indyw idualnego oraz charakterystyki rozruchowe silnika; na rys.2.b. - charakter wymuszenia realizow any przez napęd w czasie rozruchu i ham owania; na rys.2.c. - przebieg prędkości jazdy m ostu; na rys.2.d. - obciążenia dynam iczne występujące w w ale szybkoobrotow ym w
czasie realizacji ruchu dojazdowego.
186 J. Uciński
a) rozruch hamowanie
b)
c)
rozruch ham ow anie
R y s .l . O b c ią ż e n ia d y n a m ic z n e w m e c h a n iz m a c h ja z d y (b a d a n ia d o ś w ia d c z a ln e ):
a ) w w a le sz y b k o o b ro to w y m
b ) w w a le s z y b k o o b ro to w y m i w w a le k o ła z u w z g lę d n ie n ie m lu z ó w i o s c y la c y jn e g o c h a ra k te ru m o m e n tu w y m u s z a ją c e g o siln ik a ,
c) w w a le k o ła w c z a s ie p o ś liz g u p rz y h a m o w a n iu
F i g .l . D y n a m ie lo a d in g s in e le c tr o m e c h a n ic a l d riv e o f th e tra v e llin g m e c h an ism : a ) in th e h ig h - s p e e d sh aft,
b ) in tim e o f s ta r tin g u p a n e le c tr ic m o to r,
c ) in th e w h e e l s h a f t d u rin g th e slip fric tio n s fo rc e s o f th e w h e el
R y s.2 . a) S c h e m a t n a p ę d u . C h a ra k te ry sty k i re g u la c y jn e . b ) C h a ra k te ry sty k a w y m u sze n ia .
c ) P rę d k o ś ć ja z d y m o stu .
d ) O b c ią ż e n ia d y n a m ic z n e w w a le s z y b k o o b ro to w y m F ig .2 . a) S c h e m e o f th e d riv in g sy stem .
b ) C h a ra c te ris tic o f th e d riv in g to rq u e.
c ) C u rs o f sp eed .
d ) D y n a m ic lo a d in g in th e h ig h - sp ee d sh aft
188 J. Uciński
R y s.3 . P rz y k ła d w y m u s z e n ia p o z w a la ją c e g o w y tłu m ić w a h a n ia ła d u n k u F ig .3 . P o s sib ilitie s o f th e re d u c tio n lo ad o s c illa tio n s
R y s.4 . W p ły w c z a s u trw a n ia ru c h ó w n ie u sta lo n y c h n a w ie lk o ść p rz e ciąż e ń F ig .4 . T h e in flu e n c e t r a n d th o n th e lo a d in g s in m e c h an ism
R y s.5 . S c h e m a t b lo k o w y u k ła d u s te ro w a n ia
F ig .5 . S c h e m e o f th e c o n tro l s y ste m o f tra v e llin g m e c h an ism
R y s.6 . O b c ią ż e n ia d y n a m ic z n e w m e c h a n iz m ie z n a p ęd e m fa lo w n ik o w y m F ig .6 . T h e d y n a m ie lo a d in g s in e le c tro -d riv e su p p lie d v ia a freq u e n c y c o n v e rte r
190 J. Uciński
3. O B C IĄ Ż E N IA W M EC H A N IZM A C H JA ZD Y Z N A PĘD EM FALO W N IK OW Y M
Zastosow anie napędu falow nikow ego w m echanizm ie jazdy suw nicy um ożliwia sterow anie prędkością w sposób ciągły w całym cyklu roboczym oraz dojazd do miejsca zatrzym ania z du żą dokładnością bez konieczności w ykonyw ania ruchów korygujących.
Ciągle sterow anie prędkością jazdy pozw ala między innym i w ytłum ić w ahania ładunku zaw ieszonego na linach po zakończeniu każdego z ruchów nieustalonych, a w ięc i po zatrzym aniu suw nicy. W tych przypadkach jednak ruch suwnicy w czasie rozruchu i ham ow ania m usi się odbyw ać wg ściśle w yznaczonych przebiegów prędkości [3]. Sterowanie pręd k o śc ią a tym sam ym realizacja w stanach nieustalonych odpow iednich przyspieszeń, w ym aga zrealizow ania przez silnik odpow iednich w ym uszeń (rozw ijania odpow iedniego m om entu napędow ego i ham ującego). Przykładow y charakter wym uszenia, który um ożliwia w ytłum ienie w ahań ładunku w cyklu roboczym , pokazuje rys.3. Przedstaw iono tu: M s - w ym agany przebieg m om entu napędow ego i ham ującego silnika, V, - zadaw ana prędkość jazdy m ostu, V 2 - realizow ana prędkość poziom a ładunku, XQ - wahania ładunku względem
mostu.
C harakter i w ielkość w ym aganego przebiegu m om entu napędow ego i ham ującego realizow anego przez silnik w stanach nieustalonych zależą i to znacznie od czasów ich trwania. W w ielu przypadkach zw iększenie czasu trw ania ruchu nieustalonego o ok. 20% (w stosunku do najkrótszego, przy którym realizowany jest ruch bez poślizgu) sprawia, że przeciążenia w ystępujące w m echanizm ie m ożna zm niejszyć dw ukrotnie - rys.4.
Realizację eksploatacyjnych przebiegów prędkości jazdy, a także sterowanie przem ieszczeniem suw nicy z du żą d okładnością zapewnia układ sterow ania om ów iony w pracy [1] i pokazany na ry s.5. Jest to m ikroprocesorow y układ sterow ania zrealizowany na suwnicy dośw iadczalnej ZM R iN H Politechniki Łódzkiej. Sterowanie ruchem m ostu odbyw a się poprzez sterow anie indyw idualne dw om a niezależnym i napędam i jazdy z silnikami klatkow ym i zasilanym i poprzez falowniki.
O dpow iednio na rys. 6. przedstaw iono sym ulację ruchu suwnicy doświadczalnej o udźw igu Q = 50 kn, rozpiętości L=10 m i prędkości jazdy - 34 m/s. Suw nica w ykonuje ruch wg zadaw anych przebiegów prędkości um ożliw iających w ytłum ienie wahań ładunku po każdym z okresów ruchu nieustalonego. K olejne przebiegi pokazane na ry s.6. pokazują: U - napięcie sterujące, V- prędkość mostu, X Q - wahania ładunku względem mostu. Przebiegi -
M sp i M sl pokazują wielkość i charakter m om entów obciążających wały silników m echanizm ów po obu stronach mostu. Dodatkowo na rysunku pokazano również możliwość likw idow ania przekoszenia mostu występującego w początkowej chwili ruchu - wykresy E, i Ep .
M om ent rozw ijany przez silnik zasilany z falownika m a rów nież charakter oscylacyjny.
A m plituda tych oscylacji osiąga jednak nie w iększe wartości niż ok. 20 - 30% średniego m om entu rozw ijanego aktualnie przez silnik, przy czym większe wartości w ystępują w chwili załączenia lub przełączania silnika. W ielkość tych obciążeń m ożna dodatkowo zmniejszyć poprzez opóźnienie czasu narastania m om entu w ym uszającego o ok. 0.2 s.
4. W NIOSKI
Przedstaw ione w pracy możliwości zm niejszania obciążeń dynam icznych o charakterze drgającym w m echanizm ach jazdy z napędem falow nikow ym podkreślają zalety m ikroprocesorow ych układów sterow ania napędam i w porównaniu z układami tradycyjnym i.
Zastosow anie ich w napędach m aszyn roboczych przyczyni się do pow staw ania nowych jakościow o konstrukcji mechanizm ów.
LITER ATU RA
1. G rudziecki J., M alenta P., Uciński J.: Pozycjonowanie mechanizm u jazdy suwnicy sterowanej autom atycznie. Cz II. Badania doświadczalne układu sterowania. Problemy Rozw oju M aszyn Roboczych, cz. IV. s 57-66. Zakopane 1995.
2. Spraw ozdanie z tem atu 7 70169203 „A utom atyzacja suwnicy do przeładunku kontenerów ” praca w ykonana pod kierunkiem prof.dra hab. J. Tomczyka.
3. U ciński J.: B adania teoretyczne i dośw iadczalne możliwości zm niejszania obciążeń dynam icznych w układach napędow ych naw rotnych m echanizm ów dźwignic. Prace naukow e CPBP 02.05. W arszawa 1990.
Recenzent: Dr hab.inż. Sylwester Markusik Prof.Politechniki Śląskiej
192 J. Uciriski
A bstract
This paper presents som e results o f the experim ental tests o f the dynam ic loadings in travelling m echanism o f overhead crane.The influence o f the m otor torque, w heel spin, and clearences on dynam ic loadings in electrom echanical drive were shown too.
It w as given special attention to the effect o f m icroprocessor developm ents on possibilities o f application in m odem control system. The results o f the tests o f program m able power transm ission control system o f an overhead crane w ere presented. The travelling mechanism o f the experim ental crane w as equipped w ith tw o indywidual inductive m otors supplied via frequency converters. The proposed control system realized the suitable m otor functions w hich gave the best effect o f the reduction the load oscilations and dynam ic loadings in the elem ents o f travelling m echanism
