RU2267458C1

RU2267458C1 - System for checking load stability of mobile load-lifting machine

Info

Publication number: RU2267458C1
Application number: RU2004113179/11A
Authority: RU
Inventors: Павел Алексеевич Сорокин (RU); Павел Алексеевич Сорокин; Алексей Владимирович Редькин (RU); Алексей Владимирович Редькин; Максим Владимирович Козлов (RU); Максим Владимирович Козлов
Original assignee: Тульский государственный университет
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2006-01-10
Also published as: RU2004113179A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; load-lifting machinery; safeguards.

SUBSTANCE: strain-gauge transducers are installed on outriggers. Analog-digital converter is connected to outputs of strain-gauge transducers. On-board microprocessor is installed for processing data array formed by analog digital converter, control of hydraulic cylinders of support circuit by hydraulic distributor and putting out required information to operator's display. Moreover, on-board microprocessor is furnished with relay module, and mathematical model of load-lifting machine made with possibility of changing, depending on type of load-lifting machine used, is entered into its memory. Additionally hydraulic distributor is connected in parallel with said hydraulic distributor coupled through system of controllers with relay module of on-board microprocessor and designed for re-distribution of liquid from piston spaces of hydraulic cylinders in case of danger of turnover of load-lifting machine.

EFFECT: increased capacity of machine, improved safety at load-handling operations.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области краностроения и может быть использовано для контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных средств, преимущественно стреловых самоходных кранов.The invention relates to the field of crane construction and can be used to control the cargo stability of mobile lifting equipment, mainly boom self-propelled cranes.

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.A known system of protection of a jib self-propelled crane (see ed. St. N698903. The protection system of a jib self-propelled crane. Zaitsev L.V., Pankrashkin P.V., Kopeikina N.N., Vasin B.G., Lifshits M.I. , Makhorkin N.N., Sysin R.I., Ulitenko I.P. Bull. 43 of 11.25.79), containing threshold transducers of load sensors of the outriggers of the four-support crane, each of which are connected in two in series and two on diametrically located supports parallel circuits, one of the electrical circuits is made of series-connected series and parallel oh chains, and another - of serially connected second serial and second parallel chains connected in series with the output member, the output of which is connected with the alarm unit, consisting of a light (red, yellow and green), and audio elements, and the crane control system.

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.The protection system of the jib crane is as follows. When the crane is operating, as the tipping moment approaches the restoring pressure, the pressure in the hydraulic cylinders of the outriggers located outside the tipping line drops, and two adjacent supports are unloaded and two contacts of the additional preliminary alarm output element open. In this case, the contact of the green light element opens and the contact closes, including the yellow light element, warning that the tipping moment of the crane is approaching a critical value. With a further increase in the overturning moment, the aforementioned supports are even more unloaded and threshold threshold converters are activated, turning off the yellow light element and including the red one.

Недостатком известной системы является низкая надежность, что снижает эффективность использования крана, и невозможность формирования направленного стабилизирующего воздействия при возникновении аварийной ситуации в автоматическом режиме.A disadvantage of the known system is the low reliability, which reduces the efficiency of the crane, and the inability to form a directed stabilizing effect in the event of an emergency in automatic mode.

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.The objective of the invention is to increase the productivity and safety level of loading operations performed using mobile lifting machines and providing easily perceptible information to the operator about the current stability of the system in real time in a continuous technological cycle of loading operations. The set of problems is solved by the use of the load stability control system of mobile hoisting machines, which registers signals and provides the necessary information on the scoreboard to the driver and, if there is no reaction on his part, sends a command to the control system equipment that responds accordingly to these signals.

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.This problem is solved in that the load stability control system of mobile hoisting machines, containing strain gauges and an onboard microprocessor, is made in the form of parallel lines of hydraulic cylinder power pipelines connected to a processor-controlled distributor through a controller system.

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.To implement the task of monitoring the crane's stable position during operation, it is most appropriate to use the method of determining the crane's cargo stability by the position of the resultant of all forces (projection of the center of mass) acting on the crane relative to the crane support circuit.

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:In this method, additional effects on the crane are also taken into account: inertia forces, wind, the slope of the working platform, etc., and the numerical value of the cargo stability coefficient of the crane is determined by the formula:

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.where b 'is the distance from the axis of rotation to the direction line of the resultant of all loads affecting the stability of the loaded crane, l is the distance from the axis of rotation of the crane to the tipping edge.

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.The invention is illustrated in the drawing (figure 1), which shows a diagram of the reference plane of the crane installation. Figure 1 shows: 1, 2, 3, 4 - supporting hydraulic cylinders; a, b are the distances from the tipping ribs to the center of the support contour; About - the center of the slewing ring; O '- axis of symmetry of the frame; W is the boom suspension plane; C is the position of the center of mass; X is the distance from the center of the slewing ring to the center of the support loop.

Считая опоры материальными точками, в которых сосредоточена определенная часть массы установки, текущее положение проекции центра масс системы может быть определено следующим образом:Considering the supports as material points at which a certain part of the installation mass is concentrated, the current position of the projection of the center of mass of the system can be determined as follows:

где

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

, is the total mass of the system; x _i , y _i - coordinates of the i-th support.

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, тоIn order to take into account the influence on the stability of dynamic processes, instead of mass, we will consider the total load G _k reduced to the supports, including loads from the dead weight of the crane, cargo, wind and inertial loads. Since this load is distributed as a result along the crane supports, then

G_r=ΣG_i,G _r = ΣG _i ,

где ΣG_i- сумма нагрузок, приведенных к i-м опорам.where ΣG _i is the sum of the loads reduced to the ith supports.

Координаты приложения приведенной нагрузки будут определяться выражениямиThe coordinates of the application of the reduced load will be determined by the expressions

где G_i - нагрузка, приведенная к i-й опоре.where G _i is the load reduced to the i-th support.

Координаты опор будут равны (см. фиг.1)The coordinates of the supports will be equal (see figure 1)

x₁=x₄=-α; x₂=x₄=α;x ₁ = x ₄ = -α; x ₂ = x ₄ = α;

y₁=y₂=b; y₃=y₄=-b.y ₁ = y ₂ = b; y ₃ = y ₄ = -b.

Координаты пересечения осей симметрии рамы О'(0; 0).Coordinates of the intersection of the axes of symmetry of the frame O '(0; 0).

Координаты проекции оси вращения на опорную плоскость O(-Х₀; 0).The coordinates of the projection of the axis of rotation on the reference plane O (-X ₀ ; 0).

Тогда, исходя из (1), получимThen, starting from (1), we obtain

АналогичноSimilarly

Исходя из этих величин, также можно получить информацию о текущих значениях:Based on these values, you can also get information about the current values:

- угла поворота стрелы:- angle of rotation of the boom:

- линейной скорости перемещения:- linear speed of movement:

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);where T is the polling period of load sensors by the control system, during which point C changes its coordinates from x _cj , y _cj to x _{c (j + 1)} , y _{c (j + 1)} ;

- скорости поворота стрелы- boom rotation speed

где

- расстояние от точки С до центра опорного контура;Where

- the distance from point C to the center of the reference contour;

- угол наклона рамы- frame angle

где В_i - поперечная база опорного контура, С_i - жесткость опор.where In _i is the transverse base of the support contour, With _i is the stiffness of the supports.

Накапливая в процессе выполнения грузоподъемных операций данные о значениях этих величин, система управления может формировать зависимости φ(t), v(t), ω(t), φ₀(t) и, проводя экстраполяцию, с определенной вероятностью судить о дальнейшем их изменении.Accumulating data on the values of these quantities during the process of lifting operations, the control system can form the dependences φ (t), v (t), ω (t), φ ₀ (t) and, by extrapolating, with a certain probability to judge their further change .

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).By choosing the position of the projection of the center of mass as a controlled parameter (see Fig. 1) it is easy to show that the maximum value of the safety factor (k = 2) corresponding to the guaranteed stability of the crane installation will be at С _x = 0 and С _y = 0, and the minimum value (k = 1.2) corresponding to a dangerous decrease in stability margin will be at

(figure 2).

Правилами устройства и безопасной эксплуатации кранов предусматривается расчет устойчивости ГПМ без динамических нагрузок. Коэффициент запаса устойчивости при статических нагрузках k≥1,4. 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 координатThe rules of the device and the safe operation of cranes provide for the calculation of the stability of the GPM without dynamic loads. The safety factor for static loads k≥1.4. The value of the safety factor, within 1.2 <k <1.4, corresponds to the control zone, which serves to prevent emergency situations. The area of this control zone will be within the reference contour with a range of coordinates

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.Figure 2 shows: 1 - region of guaranteed stability; 2 - area of dangerous reduction in stability margin; 3 - control zone. Finding the projection of the center of mass of C inside region 1 ensures a steady state of PMG.

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.When the projection of the center of mass projection is shifted to the control zone 2, it is necessary to change the parameters of the working operations (reduce the speed of movement, limit the reach of the boom, reduce the moment on the motor shaft), thereby preventing the center of mass from falling into the area of dangerous stability margin reduction.

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.At

(k <1,2) the projection of the center of mass of the crane (C 'in Fig. 2) falls into the area of dangerous reduction of stability margin 2 and the situation is considered emergency. A GPM overturning threat is created, to prevent which it is necessary to block all executive systems and redistribute (drain) a certain volume of the working fluid from the piston cavities of the hydraulic cylinders opposite to the possible overturning rib. Thus, a uniform settlement of the crane support contour will occur, which will allow to bring the projection of the center of mass into the region of guaranteed stability.

Алгоритм функционирования системы управления будет следующим:The control system functioning algorithm will be as follows:

1. Система управления получает информацию от датчиков нагрузки, установленных на выносных опорах.1. The control system receives information from load sensors mounted on outriggers.

2. По формуле (2) определяются текущие значения координат точки приложения приведенной нагрузки С.2. According to the formula (2), the current coordinates of the point of application of the reduced load C are determined.

3. Проверяется условие нахождения этой точки внутри области гарантированной устойчивости (1).3. The condition for finding this point inside the region of guaranteed stability (1) is verified.

4. Величина запаса по устойчивости определяет максимально допустимое увеличение нагрузки по отношению к текущему значению.4. The value of the margin of stability determines the maximum allowable increase in load relative to the current value.

5. Управляющий сигнал на рабочие механизмы крана формируется таким образом, чтобы этот запас оставался в допустимых по условию (1) пределах.5. The control signal to the operating mechanisms of the crane is formed in such a way that this margin remains within the limits allowed by condition (1).

Постоянный контроль параметров, определяющих устойчивость крана, осуществляется датчиками нагрузки, сигналы с которых поступают на преобразователь с целью представления в удобную для обработки (цифровую) форму.Constant monitoring of the parameters that determine the stability of the crane is carried out by load sensors, the signals from which are fed to the converter for the purpose of presentation in a convenient (digital) form for processing.

Сформированный таким образом информационный массив, характеризующий состояние системы, позволяет определить на основании математической модели устойчивости крана текущее значение коэффициента запаса устойчивости.The information array thus formed characterizing the state of the system allows one to determine, based on the mathematical model of crane stability, the current value of the safety factor.

Фиксация опорных нагрузок осуществляется с помощью интегральных полупроводниковых тензомодулей давления мембранного типа, установленных в напорной гидролинии гидродомкратов опор.The support loads are fixed with the help of integral semiconductor pressure strain gauges of the membrane type installed in the pressure head hydraulic line of the hydraulic jacks of the supports.

Обработка поступающей информации осуществляется с помощью микропроцессорного модуля на базе микропроцессора с постоянным запоминающим устройством и оперативным запоминающим устройством.Processing of incoming information is carried out using a microprocessor module based on a microprocessor with read-only memory and random access memory.

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.The implementation of the executive part of the system (installation of the reference circuit) requires minimal modernization of the design of the hydraulic equipment of the reference circuit: a valve controlled by the relay module of the on-board processor is installed in parallel with the existing valve. The modernization of the hydraulic circuit of the reference circuit is shown in figure 3 (shown by a dotted line). The diagram contains the hydraulic cylinders of the outriggers 1, the hydraulic cylinders of the outrigger 2, parallel hydraulic valves 3, hydraulic valves 4, a bypass valve 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).Distinctive features of the system are: the load moment is not limited by turning off the working mechanisms when the critical value is reached, but by their active control, which does not allow to go beyond the permissible limits; the operator gets rid of the tedious process of frequent switching of the handles and constant monitoring of the parameters on which the accuracy of the performance of the given functions and labor safety depend; the system is universal, since the basis of the algorithms for its operation is the mathematical model of the GPM, located in the memory of the on-board microprocessor device, and can be changed depending on the type of crane and complicated (taking into account the vibrations of the load on the rope, the elasticity of the elements of the metal structure, the deformation of hydraulic cylinders, etc. ) upon presentation of more stringent requirements and as research progresses (i.e. it is resistant to moral aging).

Claims

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.1. A system for monitoring the cargo stability of mobile hoisting machines, containing strain gauge load sensors mounted on outriggers, an analog-to-digital converter connected to the outputs of the load sensors, an on-board microprocessor installed with the ability to process the information array generated by the analog-to-digital converter, and control the hydrodistributor of the reference hydraulic cylinders circuit and the issuance of the necessary information on the scoreboard to the driver, characterized in that the onboard microprocessor with it is equipped with a relay module, a mathematical model of a load-lifting machine is introduced in the memory of the on-board microprocessor, made with the possibility of changing depending on the type of the load-lifting machine, and an additional hydraulic distributor is connected in parallel with the hydrodistributor connected through the controller system to the relay module of the on-board microprocessor and designed to redistribute the volume of fluid from the piston areas of hydraulic cylinders with the threat of overturning of the lifting machine.

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.2. The system according to claim 1, characterized in that the on-board microprocessor is configured to periodically determine the position of the projection of the center of mass on the plane of the support contour relative to the tipping edge within the reference contour of the system, to identify the direction of displacement of the projection of the center of mass outside the guaranteed stability region, generating a signal dangerous reduction in the margin of stability and the formation of directional effects of a stabilizing nature to limit speeds or block movements of those technologically equipment.