способ настройки прибора безопасности грузоподъемного крана и реализующий его прибор безопасности

Формула изобретения

1. Способ настройки прибора безопасности грузоподъемного крана, заключающийся в регулировании по меньшей мере одного сигнала по меньшей мере в одном из каналов измерения нагрузки, и/или вылета, и/или угла наклона стрелы из условия обеспечения соответствия характеристики отключения прибора безопасности заданной грузовой характеристике крана путем сложения и/или перемножения результатов прямого или косвенного измерения по меньшей мере одного параметра работы крана с сигналами, соответствующими настроечным параметрам, значения которых сохраняют в энергонезависимой памяти прибора безопасности, отличающийся тем, что значения указанных настроечных параметров определяют из условия обеспечения независимости указанной характеристики отключения прибора безопасности от направления и/или скорости движения стрелы или грузозахватного органа крана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе работы грузоподъемного крана или в процессе настройки прибора безопасности на кране прямым или косвенным методом измеряют массу перемещаемого груза при различных направлениях и/или скоростях движения стрелы или грузозахватного органа крана, после чего устанавливают значения указанных настроечных параметров из условия минимального изменения результатов этих измерений при изменении этих направлений и/или скоростей.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при помощи оператора осуществляют визуальный контроль результатов измерения массы перемещаемого груза и установку указанных настроечных параметров в ручном режиме.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при помощи цифрового вычислителя, реализованного на микроконтроллере, осуществляют обработку значений параметров работы крана, в результате чего определяют и автоматически устанавливают значения указанных настроечных параметров.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при указанном определении значений настроечных параметров осуществляют сглаживание колебаний результатов измерения массы перемещаемого груза при изменении направления и/или скорости движения стрелы или грузозахватного органа крана.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения настроечных параметров определяют с учетом сил трения в механизме подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что учитывают силы трения в блочно-канатной системе механизма подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что учитывают силы трения в уплотнениях гидроцилиндра механизма подъема и опускания стрелы.

9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что значения указанных настроечных параметров определяют при различных значениях длины и/или угла наклона стрелы в виде функции по меньшей мере одного из этих параметров.

10. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что определение значений настроечных параметров осуществляют периодически, в частности через предварительно заданное число циклов подъема/опускания и перемещения груза, после чего осуществляют обновление их значений в энергонезависимой памяти прибора безопасности.

11. Способ настройки прибора безопасности грузоподъемного крана, заключающийся в регулировании по меньшей мере одного сигнала по меньшей мере в одном из каналов измерения нагрузки, и/или вылета, и/или угла наклона стрелы из условия обеспечения соответствия характеристики отключения прибора безопасности заданной грузовой характеристике крана путем сложения и/или перемножения результатов прямого или косвенного измерения по меньшей мере одного параметра работы крана с сигналами, соответствующими настроечным параметрам, значения которых сохраняют в энергонезависимой памяти прибора безопасности, отличающийся тем, что значения по меньшей мере одного настроечного параметра устанавливают различными для различных направлений и/или скоростей движения стрелы или грузозахватного органа крана.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что значения настроечных параметров определяют до начала работы грузоподъемного крана расчетным путем.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что при выполнении расчетов учитывают силы трения в механизме подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что учитывают силы трения в блочно-канатной системе механизма подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что учитывают силы трения в уплотнениях гидроцилиндра механизма подъема и опускания стрелы.

16. Способ по одному из пп.11-15, отличающийся тем, что значения указанных настроечных параметров определяют при различных значениях длины и/или угла наклона стрелы в виде функции по меньшей мере одного из этих параметров.

17. Прибор безопасности грузоподъемного крана, содержащий датчики параметров его работы, выходное устройство и цифровой вычислитель, включающий в себя по меньшей мере микроконтроллер, энергонезависимое запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения значений настроечных параметров, и устройство ввода/вывода информации, причем энергонезависимое запоминающее устройство и устройство ввода/вывода информации подключены к микроконтроллеру, входы и/или двунаправленные входы/выходы устройства ввода/вывода информации подключены соответственно к выходам или двунаправленным входам/выходам датчиков параметров работы грузоподъемного крана, выход выходного устройства подключен по меньшей мере к одному исполнительному устройству грузоподъемного крана, а по меньшей мере один вход или двунаправленный вход/выход выходного устройства подключен по меньшей мере к одному дополнительному выходу или двунаправленному входу/выходу микроконтроллера или устройства ввода/вывода информации, при этом микроконтроллер цифрового вычислителя выполнен с возможностью считывания из энергонезависимого запоминающего устройства значений настроечных параметров и с возможностью их сложения и/или перемножения с выходными сигналами датчиков параметров работы грузоподъемного крана, отличающийся тем, что микроконтроллер цифрового вычислителя выполнен с возможностью выявления различных направлений и/или скоростей изменения выходных сигналов по меньшей мере одного из упомянутых датчиков, а также с возможностью определения различных значений настроечных параметров в зависимости от этих направлений и/или скоростей и записи этих значений в энергонезависимое запоминающее устройство.

18. Прибор безопасности по п.17, отличающийся тем, что микроконтроллер цифрового вычислителя выполнен с возможностью вычисления массы перемещаемого груза при различных направлениях и/или скоростях изменений выходных сигналов датчиков параметров работы грузоподъемного крана, а также с возможностью определения значений настроечных параметров из условия минимального изменения результатов этих вычислений при изменении направлений и/или скоростей изменений выходных сигналов упомянутых датчиков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах защиты от перегрузок и повреждений стреловых, башенных и мостовых грузоподъемных кранов и кранов-трубоукладчиков.

Известен способ настройки прибора безопасности грузоподъемного крана путем подъема тарированных грузов заданной массы в двух точках его грузовой характеристики (при минимальном и максимальном вылете) и механического регулирования положения датчиков в каналах измерения нагрузки и вылета из условия обеспечения соответствия характеристики отключения прибора безопасности заданной грузовой характеристике крана [1].

Прибор безопасности грузоподъемного крана, реализующий этот способ, содержит датчики параметров работы грузоподъемного крана, подключенные к вычислительному устройству, формирующему заданную характеристику отключения крана при перегрузке по грузовому моменту, а также механические элементы регулировки положений датчиков [1].

Недостатком этого технического решения является высокая трудоемкость настройки прибора безопасности на кране ввиду большого количества механических регулировок.

Более совершенным и наиболее близким к предложенному является способ настройки прибора безопасности путем подъема тарированного груза заданной массы в точках грузовой характеристики с известными параметрами стрелового оборудования, а также регулирования сигналов в каналах измерения нагрузки, вылета и/или угла наклона стрелы из условия обеспечения соответствия характеристики отключения прибора безопасности заданной грузовой характеристике крана путем сложения и/или перемножения выходных сигналов датчиков с сигналами, соответствующими настроечным параметрам, которые предварительно определяют и сохраняют в энергонезависимой памяти прибора безопасности [2].

Прибор безопасности грузоподъемного крана, реализующий известный способ и наиболее близкий к предложенному, содержит датчики параметров его работы, выходное устройство (или исполнительный блок) и цифровой вычислитель (микропроцессорный электронный блок), включающий в себя микроконтроллер, блок памяти (энергонезависимое запоминающее устройство) и устройство ввода/вывода информации, соединенное с микроконтроллером и с датчикам. Микроконтроллер выполнен с возможностью записи и последующего считывания из энергонезависимого запоминающего устройства значений настроечных параметров и с возможностью настройки прибора безопасности путем сложения и/или перемножения настроечных параметров с выходными сигналами датчиков параметров работы грузоподъемного крана [2].

В этом техническом решении достигается снижение трудоемкости настройки прибора безопасности за счет применения электронной регулировки сигналов в измерительных каналах без механической регулировки положений датчиков на кране.

Однако при настройке прибора не учитывается зависимость воздействий, передаваемых на датчики параметров работы грузоподъемного крана, от направлений и скоростей перемещения стрелы или грузозахватного органа крана. В частности, при установке датчика нагрузки (силы) в стреловой или грузовой канат (например, как это реализовано в RU 2149820, В66С 23/88, 27.05.2000 г.) усилие, передаваемое на датчик, при одной и той же массе перемещаемого груза зависит от направления движения грузозахватного органа. В частности, в устройстве по RU 2149820 при опускании груза происходит уменьшение, а при подъеме - увеличение усилия, передаваемого на датчик. Физически это объясняется потерями энергии на трение в блочно-канатной системе (в полиспасте) механизма подъема и опускания грузозахватного органа и проявляется как гистерезис выходного сигнала в канале измерения нагрузки крана. Соответственно, величина этого гистерезиса особенно велика при большой кратности запасовки полиспаста. Аналогичным образом на грузоподъемном кране с гидравлическим приводом, в котором нагрузка определяется путем измерения давлений в гидроцилиндре подъема и опускания стрелы, на величины этих давлений оказывают влияние силы трения в манжетах-уплотнениях гидроцилиндра. Эти силы также зависят от направления движения стрелы (подъем или опускание) и аналогичным образом проявляются в виде гистерезиса в канале измерения нагрузки крана.

Отсутствие учета зависимости выходных сигналов датчика нагрузки от направлений и скоростей перемещения стрелы или грузозахватного органа крана приводит к снижению точности настройки и, соответственно, к снижению точности реализации характеристик отключения грузоподъемного крана при его перегрузках.

Кроме того, это приводит к существенному усложнению установки датчика нагрузки на грузоподъемном кране, поскольку при высоких требованиях к точности измерения нагрузки этот датчик нельзя устанавливать в грузовой канат, в стреловой или грузовой полиспаст. Известно, например, что на кранах с гибкой подвеской стрелы датчик нагрузки устанавливается в неподвижных оттяжках стрелы (см., например, [1], стр.90, рис.2.1.6). Это, в свою очередь, приводит к усложнению технического обслуживания прибора безопасности грузоподъемного крана, поскольку в этом случае датчик нагрузки находится высоко над поверхностью земли и доступ к нему затруднен.

Техническими результатами, на достижение которых направлено предложенное техническое решение, являются:

- упрощение установки датчиков параметров работы грузоподъемного крана без ухудшения точности измерения этих параметров, в частности, за счет обеспечения возможности установки датчика нагрузки в грузовой канат или в полиспаст;

- упрощение технического обслуживания датчиков прибора безопасности за счет обеспечения возможности их размещения на грузоподъемном кране в местах, более удобных для доступа к ним;

- повышение точности настройки и, соответственно, уменьшение погрешности соответствия характеристики отключения прибора безопасности заданной грузовой характеристике крана путем учета при настройке прибора безопасности зависимостей воздействий на датчики параметров работы грузоподъемного крана от направлений и/или скоростей движения его стрелы или грузозахватного органа.

В предложенном способе настройки прибора безопасности грузоподъемного крана, заключающемся в регулировании по меньшей мере одного сигнала в каналах измерения нагрузки, вылета и/или угла наклона стрелы из условия обеспечения соответствия характеристики отключения прибора безопасности заданной грузовой характеристике крана путем сложения и/или перемножения результата прямого или косвенного измерения по меньшей мере одного параметра работы крана с сигналами, соответствующими настроечным параметрам, значения которых сохраняют в энергонезависимой памяти прибора безопасности, указанные технические результаты достигаются за счет того, что значения указанных настроечных параметров определяют из условия обеспечения независимости указанной характеристики отключения прибора безопасности от направления и/или скорости движения стрелы или грузозахватного органа крана и устанавливают различными для различных направлений и/или скоростей этого движения.

Для получения необходимых технических результатов в процессе работы грузоподъемного крана или в процессе настройки прибора безопасности на кране прямым или косвенным методом измеряют массу перемещаемого груза при различных направлениях и/или скоростях движений стрелы или грузозахватного органа крана, после чего устанавливают значения указанных настроечных параметров из условия минимального изменения результатов этих измерений при изменении этих направлений и/или скоростей. В частности, при помощи оператора осуществляют визуальный контроль результатов измерения массы перемещаемого груза и установку указанных настроечных параметров в ручном режиме или при помощи цифрового вычислителя, реализованного на микроконтроллере, осуществляют обработку значений параметров работы крана, в результате чего определяют и автоматически устанавливают значения указанных настроечных параметров. При этом для повышения точности определения значений настроечных параметров в случае необходимости осуществляют сглаживание колебаний результатов измерения массы перемещаемого груза при изменении направления и/или скорости движения стрелы или грузозахватного органа крана.

Значения настроечных параметров могут также определяться расчетным путем до начала работы грузоподъемного крана. В этом случае при выполнении расчетов учитывают силы трения в механизме подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана, в частности силы трения в блочно-канатной системе механизма подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана или силы трения в уплотнениях гидроцилиндра механизма подъема и опускания стрелы.

В любом варианте реализации предложенного способа для получения необходимых технических результатов, значения настроечных параметров могут определяться при различных значениях длины и/или угла наклона стрелы в виде функции по меньшей мере одного из этих параметров. При этом знак и/или величина по меньшей мере одного настроечного параметра устанавливаются в зависимости от направления и/или скорости движения стрелы или грузозахватного органа крана.

Определение значений настроечных параметров может осуществляться периодически, в частности через предварительно заданное число циклов подъема/опускания и перемещения груза, с последующим обновлением значений настроечных параметров в энергонезависимой памяти прибора безопасности.

В приборе безопасности грузоподъемного крана, реализующем предложенный способ и содержащем датчики параметров работы грузоподъемного крана, выходное устройство и цифровой вычислитель, включающий в себя по меньшей мере микроконтроллер, энергонезависимое запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения значений настроечных параметров, и устройство ввода/вывода информации, причем энергонезависимое запоминающее устройство и устройство ввода/вывода информации подключены к микроконтроллеру посредством двунаправленных линий связи, входы, выходы и/или двунаправленные входы/выходы устройства ввода/вывода информации подключены соответственно к выходам или двунаправленным входам/выходам датчиков параметров работы грузоподъемного крана, выход выходного устройства подключен по меньшей мере к одному исполнительному устройству грузоподъемного крана, а по меньшей мере один вход или двунаправленный вход/выход выходного устройства подключен по меньшей мере к одному дополнительному выходу или двунаправленному входу/выходу микроконтроллера или устройства ввода/вывода информации, при этом микроконтроллер цифрового вычислителя выполнен с возможностью считывания из энергонезависимого запоминающего устройства значений настроечных параметров и с возможностью их сложения и/или перемножения с выходными сигналами датчиков параметров работы грузоподъемного крана, указанные технические результаты достигаются за счет того, что микроконтроллер цифрового вычислителя выполнен с возможностью выявления различных направлений и/или скоростей изменения выходных сигналов по меньшей мере одного из упомянутых датчиков, а также с возможностью определения различных значений настроечных параметров в зависимости от этих направлений и/или скоростей и записи этих значений в энергонезависимое запоминающее устройство.

В частности, микроконтроллер цифрового вычислителя выполнен с возможностью вычисления массы перемещаемого груза при различных направлениях и/или скоростях изменений выходных сигналов датчиков параметров работы грузоподъемного крана, а также с возможностью определения значений настроечных параметров из условия минимального изменения результатов этих вычислений при изменении направлений и/или скоростей изменений выходных сигналов упомянутых датчиков.

В предложенном техническом решении, благодаря указанным отличительным признакам, при настройке прибора безопасности осуществляется компенсация зависимости воздействий, передаваемых на датчики параметров работы грузоподъемного крана, от направлений и скоростей перемещения стрелы или грузозахватного органа крана. Благодаря этому указанные зависимости, проявляющиеся как гистерезис выходных сигналов в каналах измерения параметров работы крана, не влияют на результаты измерения этих параметров. За счет этого достигается существенное повышение точности работы прибора безопасности - уменьшение погрешности формирования необходимых характеристик отключения крана, в частности отключений крана при его перегрузке.

С другой стороны, реализация этих отличительных признаков обеспечивает возможность свободной компоновки (размещения) датчиков на грузоподъемном кране, в том числе в местах, удобных для доступа к датчикам при их техническом обслуживании. В частности, становится возможным установка датчика нагрузки в грузовой канат, а также в стреловой или грузовой полиспаст без ухудшения точности измерения нагрузки крана. За счет этого достигается как упрощение установки датчиков на кране, так и упрощение их технического обслуживания.

Поэтому указанные признаки находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемыми техническими результатами и являются существенными.

Из уровня техники неизвестно применение этих признаков в системах настройки приборов безопасности и, соответственно, отсутствуют сведения об их влиянии на достижение указанных технических результатов.

На фиг.1 в качестве примера реализации предложенного способа настройки приведена функциональная схема прибора (системы) безопасности грузоподъемного крана, на фиг.2 - пример установки датчика нагрузки в грузовом канате гидравлического стрелового крана.

Прибор безопасности (фиг.1) содержит цифровой вычислитель 1, именуемый также электронным блоком, блоком индикации, блоком обработки данных и т.п., и датчики параметров работы грузоподъемного крана 2. Цифровой вычислитель 1 выполнен на основе микроконтроллера 3, к которому подключены органы управления (кнопки, клавиши) 4, индикаторы (светодиодные, символьные жидкокристаллические и т.п.) 5, энергонезависимое запоминающее устройство (микросхемы Flash-памяти) 6 и устройство ввода/вывода информации 7.

У прибора безопасности с аналоговыми датчиками 2 устройство ввода/вывода информации 7 содержит аналого-цифровой преобразователь, а у прибора с цифровыми датчиками - трансивер или контроллер мультиплексного канала обмена данными, в частности, последовательного интерфейса типа CAN (Control Area Network), реализованного по стандартам ISO11898, ISО11519 или типа LIN (Local Interconnection Network), утвержденного Европейским Автомобильным Консорциумом. Выходное устройство 8 прибора безопасности содержит по меньшей мере один силовой ключ, выполненный в виде электромагнитного реле или силовой интегральной микросхемы. Вход выходного устройства подключен к устройству ввода/вывода информации 7 или непосредственно к микроконтроллеру 3 при помощи отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными, а выход - к исполнительному устройству 9 крана, в качестве которого может использоваться, например, электромагнитный пускатель или электромагнитный клапан, включенный в гидравлическую систему управления краном. Входное устройство 8 может быть также объединено с устройством ввода/вывода информации 7. Если прибор безопасности имеет общий мультиплексный канал обмена данными, то выходное устройство может быть выполнено на основе микроконтроллера и подключено к этому мультиплексному каналу обмена данными аналогично подключению датчиков 2. Кроме того, отдельные датчики параметров работы крана могут быть подключены непосредственно к выходному устройству 8.

Датчики 2 включают в себя, в частности, датчик нагрузки грузоподъемного крана 10, выполненный в виде тензометрического датчика усилия в грузовом или стреловом канате или в виде тензометрических датчиков давления в гидроцилиндре подъема стрелы, датчик длины стрелы 11, выполненный, например, в виде кабельного барабана с потенциометрическим датчиком угла его поворота, датчик угла наклона стрелы 12, выполненный, например, в виде микромеханического инклинометра/акселерометра, и датчик угла азимута 13, выполненный, например, в виде потенциометра. Прибор безопасности может содержать также различные дополнительные датчики 14, к которым относятся датчик предельного подъема грузозахватного органа, датчик приближения к линии электропередачи, дискретные датчики перемещений органов управления краном, датчик хода грузовой лебедки и т.п. Отдельные датчики, показанные на чертеже, могут отсутствовать. Конкретный набор датчиков зависит от конструкции конкретного грузоподъемного крана и варианта реализации предложенного способа. Например, при реализации прибора безопасности для мостового крана датчики длины стрелы 11, угла наклона стрелы 12 и датчик угла азимута 13 не используются.

Каждый из датчиков 2 (10-14) может быть выполнен либо аналоговым, либо цифровым. В первом случае каждый датчик содержит первичный преобразователь (тензометрический мост, потенциометр и т.п.), выходной сигнал которого непосредственно или через расположенный в датчике усилитель/преобразователь при помощи отдельного провода подключается к соответствующему входу устройства ввода/вывода информации 7. Если датчик выполнен цифровым - с мультиплексным каналом обмена данными, то он в общем случае содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, усилитель/преобразователь выходного сигнала первичного преобразователя, микроконтроллер датчика и трансивер или драйвер мультиплексного канала обмена данными.

С целью упрощения настройки прибора безопасности на грузоподъемном кране каждый из датчиков 2 (10-14) может быть выполнен с нормализацией его выходного сигнала. В этом случае усилитель/преобразователь аналогового датчика или усилитель/преобразователь и микроконтроллер цифрового датчика выполняются с возможностью компенсации смещения нуля, лианеризации, термокомпенсации и калибровки коэффициента передачи этого датчика.

Датчик нагрузки 10 может быть установлен, в частности, с возможностью измерения усилия в грузовом канате 15 стрелового крана (фиг.2). Грузовой канат 15 огибает жестко закрепленные на стреле направляющие ролики 16, 17, а также расположенный между ними отклоняющий ролик 18, связанный с датчиком нагрузки 10. В качестве направляющих роликов 16 и 17 могут быть использованы канатные ролики, являющиеся направляющими элементами конструкции стрелового оборудования крана. Блочно-канатная система механизма подъема и опускания грузозахватного органа крана имеет грузовой полиспаст 19, характеризующийся кратностью его запасовки К.

Прибор безопасности работает следующим образом.

Перед началом работы грузоподъемного крана крановщик (оператор) при помощи органов управления 4, расположенных на цифровом вычислителе (электронном блоке) 1, осуществляет ввод в микроконтроллер 3 параметров, определяющих режимы работа крана - положение выдвижных опор, кратность запасовки грузового полиспаста, наличие, длину и угол наклона гуська и т.д., если для данной конструкции крана ввод этих параметров является необходимым. Введенные параметры сохраняются в энергонезависимом (Flash) запоминающем устройстве 6 или в памяти (в EEPROM) микроконтроллера 3.

Зона допустимых значений положения грузоподъемного (стрелового) оборудования крана вводится при задании крановщиком параметров координатной защиты при помощи органов управления 4 и также сохраняется в памяти микроконтроллера 3 или в запоминающем устройстве 6.

Управление грузоподъемным краном осуществляется крановщиком путем перемещения органов управления (рукояток, рычагов и т.п.), например, гидравлическими распределителями крана, в соответствующих направлениях. Для осуществления какого-либо движения крана необходимо как наличие управляющего воздействия крановщика, так и отсутствие блокирования этого движения со стороны исполнительного устройства 9.

При отсутствии перегрузки крана по грузовому моменту и при нахождении его стрелы в зоне допустимых положений по координатной защите микроконтроллер 3 формирует сигнал управления выходным устройством 8 и, соответственно, исполнительным устройством 9, разрешающий движения крана.

С помощью датчиков 2 в приборе безопасности реализуются каналы измерения параметров работы крана, характеризующих его загрузку и положение грузоподъемного (стрелового оборудования). Микроконтроллер 3 цифрового вычислителя 1 работает по программе, определенной при проектировании прибора безопасности и предварительно записанной в его память или в запоминающее устройство 6, и через устройство ввода/вывода информации 7 по мультиплексному каналу обмена данными или по отдельным линиям связи получает от датчиков 2 значения параметров работы грузоподъемного крана.

После получения информации от датчиков 2 микроконтроллер 3 по известным функциональным зависимостям определяет текущую нагрузку крана и положение его грузоподъемного (стрелового) оборудования. При необходимости для определения текущей нагрузки крана и/или текущего положения его стрелы или грузозахватного органа микроконтроллером 3 осуществляются необходимые преобразования выходных сигналов датчиков параметров работы крана 2. Это имеет место в случае, когда текущая нагрузка крана и/или положение его стрелы или грузозахватного органа измеряются косвенным образом - например, при определении нагрузки стрелового гидравлического крана по давлениям в штоковой и поршневой полостях гидроцилиндра подъема стрелы.

Допустимые режимы нагружения в виде грузовых характеристик крана хранятся в памяти микроконтроллера или в запоминающем устройстве 6.

Далее микроконтроллер 3 цифрового вычислителя 1 осуществляет сравнение текущей нагрузки (массы поднимаемого груза или грузового момента) крана с предельно-допустимым значением нагрузки, а также сравнение фактического положения грузоподъемного оборудования с зоной допустимых положений, заданных при введении координатной защиты, и в зависимости от результатов этих сравнений подает на выходное устройство 8 сигнал отключения исполнительного устройства 9. Благодаря этому прибор безопасности формирует необходимые характеристики отключения движений крана и обеспечивает его автоматическую защиту от перегрузки и от столкновений стрелового оборудования с препятствиями (координатную защиту). Одновременно наиболее важные параметры работы грузоподъемного крана отображаются на лицевой панели цифрового вычислителя (электронного блока) 1 при помощи индикаторов 5.

Микроконтроллер 3, кроме реализации функций защиты грузоподъемного крана, работает также в режиме настройки прибора. Программа его работы в этом режиме также разрабатывается при проектировании прибора безопасности и сохраняется в памяти микроконтроллера 3 или в запоминающем устройстве 6.

Настройка прибора безопасности осуществляется непосредственно на грузоподъемном кране либо перед началом выполнения грузоподъемных операций (в режиме настройки прибора безопасности), либо непосредственно во время работы грузоподъемного крана. Настройка необходима после первичного монтажа прибора безопасности на грузоподъемный кран, после ремонта или замены какой-либо составной части этого прибора, а также периодически в процессе эксплуатации прибора безопасности на грузоподъемном кране. Эта необходимость обусловлена отсутствием или неточностью нормализации выходных сигналов датчиков 2 (т.е. отличиями выходных сигналов различных датчиков одного и того же типа при равных значениях измеряемых параметров работы крана), разбросами параметров различных кранов (отличиями в геометрических размерах, в массе и т.п.), неточностью и неидентичностью установки датчиков на грузоподъемный кран - погрешностью монтажа (приварки) элементов крепления, погрешностью ориентирования установочных (крепежных) элементов на корпусах датчиков и т.п., изменениями (дрейфом) параметров прибора безопасности в эксплуатации, а также зависимостью измеряемых датчиками воздействий от направления и скорости перемещения стрелы или грузозахватного органа грузоподъемного крана в процессе его нормального функционирования.

Сущность предложенного способа настройки заключается в следующем.

Предположим, что грузовой лебедкой осуществляется подъем груза, имеющего вес Q, на некоторую высоту Н (см. фиг.2). Для подъема груза на такую высоту грузовая лебедка должна осуществить перемещение грузового каната 15 на длину

где К - кратность запасовки грузового полиспаста.

Если бы в механизме подъема груза отсутствовали потери энергии, то для приращения потенциальной энергии

вызванной подъемом груза весом Q на высоту Н, от грузовой лебедки потребовалась бы энергия

где F - усилие в грузовом канате 15.

В этом случае из выражения (3) следует, что

Причем усилие, непосредственно воспринимаемое датчиком нагрузки 10, зависит от угла отклонения грузового каната роликами 16-18 и имеет величину

где Fд - усилие на датчике нагрузки 10;

М - постоянный коэффициент.

Приведенные соотношения, не учитывающие потери энергии в блочно-канатной системе механизма подъема и опускания груза, с определенными допущениями можно считать справедливыми, как правило, только в статических режимах работы грузоподъемного крана, т.е. при отсутствии перемещения груза. В этом случае усилие на датчике нагрузки Fд пропорционально весу поднимаемого груза Q. Соответственно, настройка прибора безопасности по каналу измерения веса поднимаемого груза не представляет сложности и заключается в корректировке величины коэффициента пропорциональности М в формуле (5) и, при необходимости, начального смещения (смещения нулевого уровня) датчика нагрузки 10. Это осуществляет микроконтроллер 3 путем умножения и/или сложения выходного сигнала датчика нагрузки 10 со значениями настроечных параметров, которые сохраняются в энергонезависимом запоминающем устройстве 6.

Значения этих настроечных параметров могут быть определены расчетным путем при проектировании прибора безопасности для данного крана, введены в микроконтроллер 3 оператором при помощи органов управления 4 или определены микроконтроллером 3 в автоматическом режиме без участия оператора.

В простейшем случае, когда настройка осуществляется в ручном режиме, оператор визуальным путем выявляет отсутствие нагрузки на грузозахватном органе крана и далее путем воздействия на соответствующий орган управления 4 дает команду микроконтроллеру 3 цифрового вычислителя 1 на проведение настройки прибора безопасности - на определение настроечных параметров, которые далее используются в программе работы микроконтроллера 3 цифрового вычислителя 1 для программного изменения/регулирования сигналов в каналах измерения нагрузки грузоподъемного крана. Если для настройки прибора осуществляется подъем эталонного груза, то оператор после подъема груза при помощи органов управления 4 вводит в прибор безопасности значение веса этого эталонного груза, после чего по дополнительной команде оператора микроконтроллер 3 осуществляет сравнение результата измерения веса поднимаемого груза со значением, введенным оператором, и далее аналогичным образом вычисляет значения настроечных параметров и сохраняет их в запоминающем устройстве 6. При необходимости определения значений нескольких настроечных параметров указанные операции настройки проводятся неоднократно при различных положениях стрелы или при различных значениях поднимаемого груза.

Аналогичным образом в ручном режиме может быть осуществлена настройка каналов измерения вылета и/или угла наклона стрелы. Отличие заключается лишь в том, что оператором в прибор безопасности вводятся действительные, например измеренные рулеткой или оптическим квадрантом, значения вылета или угла наклона стрелы.

Если настройка канала измерения нагрузки при работе крана без груза осуществляется в автоматическом режиме, то микроконтроллер 3, работая по программе, дополнительно определяет интервалы времени, в течение которых нагрузка на грузозахватном органе отсутствует. После чего настройка производится в течение именно этого интервала времени.

Для выявления указанных интервалов времени микроконтроллер 3 цифрового вычислителя 1 непосредственно в процессе работы грузоподъемного крана анализирует изменение одного или нескольких сигналов в каналах измерения нагрузки, вылета и/или угла наклона стрелы грузоподъемного крана. Это может осуществляться как в начале работы грузоподъемного крана, так и в процессе выполнения цикла подъема/опускания и перемещения груза. Алгоритм выявления этих интервалов времени базируется на анализе специфических особенностей работы грузоподъемного крана и выявлении тех периодов времени, в течение которых нагрузка на грузозахватном органе гарантированно отсутствует. Эти особенности зависят от конструкции грузоподъемного крана и характера выполняемого им технологического процесса подъема/опускания и перемещения груза.

Отличительной особенностью предложенного технического решения является осуществление настройки прибора безопасности не только в статических, но и в динамических режимах работы крана - при различных направлениях и скоростях движения его стрелы или грузозахватного органа. Для осуществления такой настройки цифровой вычислитель 1 учитывает зависимость результатов измерения параметров работы крана от этих направлений или скоростей.

Для пояснения предложенного способа настройки в динамических режимах работы крана рассмотрим соотношения (1)-(5) с учетом потерь энергии в блочно-канатной системе механизма подъема и опускания груза.

Очевидно, что выражение (1) для определения перемещения грузового каната 15 ( L= Н×К) и выражение (2) для определения приращения потенциальной энергии при подъеме груза (Wп= Н×Q) остаются неизменными.

Однако затраты энергии грузовой лебедки на подъем груза с учетом потерь в блочно-канатной системе составят:

где Wк - потери энергии в блочно-канатной системе.

При замене канатно-блочной системы одним блоком, эквивалентным с точки зрения потерь энергии на трение, потери энергии в блочно-канатной системе

где Мтр - момент трения, приведенный к оси блока;

- приведенный угол поворота блока.

Т.е. грузовой лебедке для подъема груза на заданную высоту Н необходимо обеспечить не только увеличение потенциальной энергии поднятого груза, но и компенсировать потерю энергии на трение в блочно-канатной системе механизма подъема груза.

Соответственно, при опускании груза

т.е. при опускании груза источником энергии на трение в блочно-канатной системе может быть потенциальная энергия опускающегося груза.

Из соотношений (6) и (8) следует, что

Поскольку Wл'=F'× L, a Wл"=F"× L, то очевидно, что при одном и том же весе груза Q усилие в грузовом канате F' при подъеме груза больше, чем усилие F" при опускании этого груза, т.е. усилие в грузовом канате 15 зависит от направления перемещения грузозахватного органа крана.

Можно также показать, что если, например, датчик нагрузки установлен в стреловом полиспасте на заякоренном конце стрелового каната, то и в этом случае усилие, передаваемое на датчик нагрузки, будет зависеть он направления подъема/опускания стрелы, но зависимость будет обратной - при подъеме стрелы будет происходить уменьшение усилия, воздействующего на датчик, а при опускании стрелы - увеличение.

Если же в блочно-канатной системе присутствуют силы не только сухого, но и вязкого трения, т.е. если приведенный момент трения в выражении 7 не является постоянным (Мтр Const), то очевидно, что усилие в грузовом или в стреловом канате и, соответственно, усилие, передаваемое на датчик нагрузки, будет зависеть не только от направления, но и от скорости перемещения грузозахватного органа или стрелы.

Сказанное относится и к любому другому каналу измерения параметров работы крана. Например, результат измерения давления в каком-либо гидроцилиндре из-за наличия трения в уплотнениях будет зависеть от направления перемещения его штока. Результат измерения угла азимута из-за наличия люфта в механических передачах будет зависеть от направления поворота платформы крана и т.д.

Предложенный способ настройки прибора безопасности, независимо от вида и состава параметров работы крана, предусматривает выявление зависимости результатов измерения этого параметра (или параметров) от направления и/или скорости перемещения стрелы или грузозахватного органа и последующую коррекцию этих результатов измерения путем сложения и/или умножения выходных сигналов соответствующих датчиков с настроечными параметрами, которые устанавливаются для каждого датчика и имеют различные знаки и/или величины для различных направлений и/или скоростей движения стрелы или грузозахватного органа крана.

Возможным вариантом реализации настройки прибора безопасности в ручном режиме является визуальное наблюдение оператором значений массы поднимаемого груза на индикаторах 5 при различных направлениях и скоростях движения крана с последующим ручным вводом значений настроечных параметров в прибор безопасности при помощи органов управления 4. Если, например, при неподвижном грузозахватном органе индикаторы 5 отображают массу груза 10 т, при подъеме этого же груза - 11 т, а при опускании - 9 т, то очевидно, что для компенсации погрешности измерения массы груза микроконтроллер 3 после выявления направления перемещения груза, например по значениям выходных сигналов датчика хода грузовой лебедки или датчиков положений органов управления грузовой лебедкой, при подъеме груза должен умножить значение выходного сигнала датчика нагрузки на настроечный коэффициент 0,909, а при опускании - на коэффициент 1,11. Причем оператор может определить необходимые значения вводимых настроечных параметров (коэффициентов) путем их подбора или вычислений с использованием данных о параметрах работы крана, считанных с индикаторов 5. Критерием правильности настройки является визуально наблюдаемая оператором на индикаторах 5 независимость результатов измерения массы перемещаемого груза от направления движения стрелы или грузозахватного органа крана.

Если наблюдается зависимость результата измерения массы поднимаемого груза от скорости перемещения стрелы или грузозахватного органа, то оператор после выявления этой зависимости по показаниям индикаторов 5 аналогичным образом с помощью органов управления 4 вводит необходимые поправки в настроечные параметры. Далее микроконтроллер 5 использует эти поправки для программной коррекции результатов измерения нагрузки крана в зависимости от скорости перемещения груза.

Настройку прибора безопасности можно осуществить также в автоматическом режиме без участия оператора (крановщика) непосредственно в процессе работы грузоподъемного крана.

В этом случае микроконтроллер 3, анализируя выходные изменения выходных сигналов датчиков 2 и учитывая особенности технологического цикла подъема, перемещения и опускания груза, выявляет те интервалы времени, в течение которых груз не касается погрузочно/разгрузочной площадки (земли), т.е. те интервалы времени, в течение которых масса перемещаемого груза действительно остается постоянной. Это имеет место, например, во всем интервале времени после отрыва груза от земли при его подъеме (после резкого возрастания и стабилизации нагрузки на кран) до окончания его опускания (резкого уменьшения нагрузки). Далее для осуществления автоматической настройки микроконтроллер 3 вычисляет массу перемещаемого груза при различных направлениях и/или скоростях движения стрелы или грузозахватного органа крана, а также вычисляет и устанавливает значения настроечных параметров из условия минимального изменения результатов этих измерений при изменении этих направлений и/или скоростей. Причем в качестве базового (действительного) значения нагрузки может быть использовано предварительно измеренное значение этой нагрузки в статическом режиме работы крана или среднее значение нагрузки, полученное для различных направлений и/или скоростей движения груза (стрелы или грузозахватного органа).

Для повышения точности определения значений настроечных параметров при автоматической настройке целесообразно производить сглаживание колебаний результатов измерения массы перемещаемого груза. Это сглаживание может осуществляться микроконтроллером 3 путем усреднения нескольких значений измеренной массы поднимаемого груза, полученных через интервалы времени, величины которых устанавливают в зависимости от длительности переходных процессов уменьшения и увеличения нагрузки на кран. Другим вариантом исключения влияния динамических нагрузок на кран на результаты настройки прибора безопасности является исключение из рассмотрения начальных участков траекторий перемещения груза, на которых силы инерции груза и его раскачивание оказывают существенное влияние на результат измерений его массы.

Для компенсации дрейфа параметров прибора безопасности и характеристик крана, включая изменения величин сил трения в механизмах крана в процессе его эксплуатации, целесообразно реализовать периодическое уточнение значений настроечных параметров. Для этого в программе работы микроконтроллера 3 предусматривается периодическое, например, через предварительно заданное число циклов подъема/опускания и перемещения груза, обновление значений настроечных параметров в энергонезависимой памяти прибора безопасности. При этом период обновления данных о настроечных параметрах выбирается в зависимости от максимально возможной скорости дрейфа параметров грузоподъемного крана и прибора безопасности.

При проведении автоматической настройки целесообразно ограничить быстрые изменения значений настроечных параметров. Это исключает возможность получения значений настроечных параметров с большими ошибками, существенно искажающими результаты измерения нагрузки или какого-либо другого параметра работы грузоподъемного крана.

Принципиально возможно определение настроечных параметров расчетным путем, например при проектировании прибора безопасности. При выполнении таких расчетов учитывают силы трения в механизме подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана, в частности силы трения в блочно-канатной системе механизма подъема и опускания стрелы и/или грузозахватного органа крана или силы трения в уплотнениях гидроцилиндра механизма подъема и опускания стрелы. Далее полученные расчетные значения настроечных параметров подлежат уточнению по результатам проверки на грузоподъемном кране.

Оптимальные (или соответствующие наибольшей точности работы прибора безопасности) значения настроечных параметров могут существенно зависеть от длины и/или угла наклона стрелы. В этом случае, как при ручной, так и при автоматической настройке прибора безопасности, значения настроечных параметров определяются и записываются в энергонезависимое запоминающее устройство 6 при различных значениях длины и/или угла наклона стрелы. Далее микроконтроллер 3 осуществляет, например, аппроксимацию записанных значений и далее использует эти настроечные параметры в виде функций длины и/или угла наклона стрелы.

Реализация предложенного технического решения обеспечивает упрощение установки и технического обслуживания датчиков на грузоподъемном кране, а также повышение точности работы прибора безопасности и соответствующее повышение эффективности защиты крана грузоподъемного.

Источники информации

1. Сушинский В.А., Маш Д.М., Шишков Н.А. Приборы безопасности грузоподъемных кранов. Часть 1. - М.: Центр учебных и информационных технологий, 1996, стр.17.

2. Патент RU 2262481 С2, МПК7 В66С 15/06, 23/88, 20.10.2005.