Гашение колебаний груза подъемно-транспортных механизмов

Цель – повышение производительности различных подъемно-транспортных механизмов путем оптимизации цикла транспортировки, т.е. уменьшения времени разгона и торможения за счет гашения колебаний груза, повышения скорости установившегося движения и уменьшения времени пауз. Объектом моделирования является мостовой кран грузоподъемностью 15 т и высотой подъема до 15 м, имеющий 3 степени свободы. При разработке математической модели мостового крана использовались уравнения Лагранжа второго рода в виде нелинейной, неоднородной системы. Математический анализ процесса гашения выполнен методом составления энергетического баланса. Проведенные на модели исследования дали возможность получить оптимальную амплитуду и частоту гасящих импульсов для изменения длины подвеса в пределах 5%. Эти импульсы имеют максимальную частоту до 3 колебаний в секунду и подаются в противофазе колебаниям груза. Энергетические затраты на гашение колебаний груза, согласно расчетам, не превышают 3–4% от мощности двигателя подъема–спуска. Показано, каким образом реализуется гашение при ручном управлении и рассчитаны коэффициенты, определяющие амплитуду изменения длины подвеса груза или рабочего органа. Диапазоны изменения данных коэффициентов составляют 0,85–0,9 и 1,1–1,15 для настройки амплитуды и частоты гасящих импульсов при использовании автоматической системы. Таким образом, для мостового подъемного крана разработана система гашения колебаний груза при его перемещении. Предлагаются варианты реализации системы гашения: оператором или автоматической системой управления. Математическая модель крана пригодна для исследования различных видов механизмов. Рекомендуется использовать данный способ гашения, как при проектировании новой техники, так и при модернизации существующей, ввиду его высокой эффективности при относительно невысокой стоимости.

1. Герасимяк Р.П., Лещёв В.А. Анализ и синтез крановых электромеханических систем. Одесса: СМИЛ, 2008. 192 с.

2. Смехов А.А., Ерофеев Н.И. Оптимальное управление подъемно-транспортными машинами. М.: Машиностроение, 1975. 293 с.

3. Федорещенко Н.В. Управление колебаниями подъемно-транспортных механизмов // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвузовский сборник. Красноярск: КрПИ, 1992. С. 53–57.

4. Болотова В.А., Федорещенко Н.В., Машукова Н.И. Проектирование актуаторов для систем позиционирования // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 т. (г. Иркутск, 21–25 апреля 2015 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2015. Т. 1. С. 159–162.

5. Ишматов З.Ш., Бахматов С.А. Электропривод крановых механизмов перемещения с функцией предотвращения раскачивания груза // Электроприводы переменного тока: тр. XVII Междунар. науч.-техн. конф. (г. Екатеринбург, 26–30 марта 2018 г.). Екатеринбург, 2018. С. 53–57.

6. Enin S.S., Omelchenko E.Y., Fomin N.V., Beliy A.V. Overhead crane computer model // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018. Vol. 327. Iss. 2. https://doi.org/10.1088/1757-899X/327/2/022028.

7. Enin S.S., Omelchenko E.Y., Beliy A.V. Crane antisway control system with sway angle feedback // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2018. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2018.8728750.

8. Enin S., Omelchenko E., Maksimov I. Crane anti-sway control system algorithm // IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (Magnitogorsk, 4–5 October 2019). Magnitogorsk: IEEE, 2019. P. 54–58. https://doi.org/10.1109/PEAMI.2019.8915227.

9. Ловчаков В.И. Необходимые условия максимального быстродействия линейных динамических систем // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18. № 6. С. 378–382. https://doi.org/10.17587/mau.18.376-382.

10. Даньшина А.А., Пятибратов Г.Я. Многофакторный выбор электромеханического модуля для сбалансированного манипулятора // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2016. Т. 16. № 3. С. 23–31. https://doi.org/10.14529/power160303.

11. Khizhniakov Yu.N., Yuzhakov A.A., Bezukladnikov I.I., Trushnikov D.N. Adaptive fuzzy control of tracking electromechanical systems // Russian Electrical Engineering. 2018. Vol. 89. Iss. 11. Р. 648–651.

12. Bogdanov D.Yu., Pyatibratov G.Ya., Bekin A.B. System Implementation of Speed Restriction While Developing the Force Compensation Systems // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. P. 1032–1040. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.210.

13. Прокопьев А.В., Федорещенко Н.В. Упругие колебания промышленных электроприводов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Иркутск, 28–30 апреля 2016 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2016. С. 123–127.

14. Pyatibratov G.Y., Bogdanov D.Y., Bekin A.B. Retrofit simulator to train cosmonauts for working in non-gravity and reduced gravity environment // Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 42–50. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.006.

15. Щербаков В.С., Корытов М.С., Шершнева Е.О. Активный способ гашения колебаний груза после остановки мостового крана // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17. № 6. С. 368–374.

16. Нуриахметов Р.М., Новиков В.А. Системы управления движением подъемно-транспортных машин с реализацией способов предотвращения раскачивания груза // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». 2016. № 1. С. 42–44.

17. Корытов М.С., Щербаков В.С. Оценка точности суперпозиции плоских моделей мостового крана при моделировании гашения пространственных колебаний груза // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2018. Т. 15. № 1. С. 29–36. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2018-1-29-36.

18. Федорещенко Н.В. Оптимизация радиуса приведения механизма актуатора для точного позиционирования в автоматическом производстве // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т. 23. № 6. С. 1116–1125. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-6-1116-1125.

19. Лещёв В.А. Параметрическое управление гашением колебаний подвешенного на кране груза // Электрические и компьютерные системы. 2011. № 4. С. 39–41.

20. Шмарловский А.С. Эффективные алгоритмы управления подъемно-транспортными механизмами // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. 2011. № 5. С. 26–34.

21. Марков А.В., Подковырова А.А., Хаджинов М.К., Шведова О.А. Анализ колебаний троса и способов их подавления для грузоподъемных механизмов // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. 2014. № 7. С. 83–89.

22. Капица П.Л. Маятник с вибрирующим подвесом // Успехи физических наук. 1951. № 44. Вып. 1. С. 7–20.

23. Федорещенко Н.В. Модернизация промышленных электроприводов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 т. (г. Иркутск, 18 февраля 2017 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2017. Т. 1. С. 117–119.

24. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Сурков В.В. Нелинейные системы управления электроприводами и их аналитическое конструирование: монография. Тула: ТулГУ, 1999. 180 с.

25. Abdel-Rahman E.M., Nayfeh A.H, Masoud Z.N. Dynamics and control of cranes: a review // Journal of Vibration and Control. 2003. Vol. 9. Iss. 7. Р. 863–908. https://doi.org/10.1177/1077546303009007007.

26. Cekus D., Depta F., Kubanek M., Kuczyński Ł, Kwiatoń P. Event visualization and trajectory tracking of the load carried by rotary crane // Sensors. 2022. Vol. 22. Iss. 2. Р. 480. https://doi.org/10.3390/s22020480.