Электроприводы грузоподъемных лебедок с повышенной безопасностью

Актуальность темы

Грузоподъемные машины (ГПМ) широко используются в различных отрас-
лях промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве и в коммерческих ор-
ганизациях. Безопасность на объектах, где эксплуатируются ГПМ, во многом за-
висит от технического состояния их узлов и механизмов. Основным механизмом
ГПМ является грузоподъемная лебедка, которая в большинстве случаев имеет
электрический привод [1, 2, 21, 22, 23].
По данным Государственной службы по экологическому, технологическому
и атомному надзору РФ, начиная с 1991 года, число производственных объектов,
на которых эксплуатируются ГПМ, имеет устойчивую тенденцию к увеличению.
При этом количество аварий и несчастных случаев на ГПМ остаётся высоким
[21, 22, 23].
Ситуация с аварийностью ГПМ в основном связана с несвоевременным тех-
ническим обслуживанием и недостаточным контролем технического состояния,
особенно техники, отработавшей нормативный срок службы [3, 9, 14, 18, 21, 22,
23, 47, 54, 88, 115].
При эксплуатации ГПМ возникает потребность контроля эксплуатационных
воздействий (нагрузок), интенсивность и величина которых влияют на изменение
технического состояния. Зачастую скорость изменения технического состояния
неконтролируема вследствие отсутствия или недостаточной информативности
специальных технических средств (приборов и систем безопасности).
В большинстве случаев контроль и регистрация нагрузок, воспринимаемых
ГПМ, таких как динамические колебания усилий и их величина в канатно-
полиспастной системе, тормозной момент, можно проводить, используя в каче-
стве источника информации приводной асинхронный двигатель (АД). Тем самым
появляется возможность как отказаться от традиционных технических средств
безопасности (использующих тензометрические, контактные и др. датчики), так и
использовать их совместно, что повышает надежность получаемой информации
благодаря резервному каналу.
Проблемами надежности, безопасности, повышения удельных энергетиче-
ских характеристик приводного двигателя и другого электрооборудования ГПМ
занимались и занимаются ученые из разных стран, среди них: Александров М.П.,
Брауде В.И., Ивашков Н.И., Каминский Л.С., Копылов И.П., Коровин К.В.,
Муравлев О.П., Певзнер Е.М., Сипайлов Г.А., Сушинский В.А., Таубер Б.А.,
Тун А.Я., Яуре А.Г., Holtz J., Marchesoni M.A., Vas, P. Matuse K., Tung-Hai Chin.
[4, 11, 40, 45, 50, 53, 61, 89, 100, 105, 110, 120, 122, 123, 124, 125].
Количество ежегодно увеличивающихся публикаций ученых, занимающих-
ся решением задач безопасности эксплуатации электротехнических комплексов,
свидетельствует о том, что эта область исследований актуальна и представляет
научный и практический интерес.
Цель работы: повышение безопасной и эффективной эксплуатации грузо-
подъемных лебедок с электроприводом.
Объект исследования: процессы и закономерности влияния эксплуатацион-
ных воздействий на электроприводы грузоподъемных лебедок.
Предмет исследования: электроприводы грузоподъемных лебедок, методы
контроля их технического состояния.
Методы исследования: работа базируется на использовании основных тео-
ретических положений в области дифференциального и интегрального исчисле-
ния, электротехники, механики, компьютерного моделирования в программе
Matlab Simulink. Проверка теоретических результатов осуществлялась экспери-
ментально на действующем объекте (мостовой кран МК-10) и на созданной физи-
ческой модели лебедки с канатоведущим шкивом в лабораторных условиях.
Достоверность результатов подтверждается достаточной сходимостью
полученных данных в результате теоретических и экспериментальных исследо-
ваний, а также соответствием полученных результатов положениям теории элек-
трических машин и электропривода.
Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специаль-
ности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы:
1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем,
изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитацион-
ное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплек-
сов и систем.
2. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических
комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффектив-
ного управления.
3. Исследование работоспособности и качества функционирования электро-
технических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных
внешних воздействиях.
4. Разработка безопасной и эффективной эксплуатации, утилизации и лик-
видации электротехнических комплексов и систем после выработки ими поло-
женного ресурса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая трехмассовая модель грузоподъемной
лебёдки с канатоведущим шкивом, учитывающая жесткость, демпфирование
каната, трение между канатом и шкивом, позволяющая исследовать динамические
режимы работы и обладающая повышенной информативностью о величине и
характере эксплуатационных воздействий.
2. Предложен и запатентован способ контроля тормозного момента
механизма подъема с электроприводом.
3. Разработаны алгоритмы работы устройств расчета коэффициента
нагружения односкоростной грузоподъемной лебедки барабанного типа и контроля
технического состояния тормоза грузоподъемных лебедок, отличающиеся от
известных использованием электромеханических переменных, зависящих от
величины и характера эксплуатационных воздействий.
Практическая ценность работы:
1. Разработана компьютерная модель в среде Matlab Simulink для исследо-
вания динамических процессов, протекающих в электроприводах, механизмах
грузоподъемных лебедок при эксплуатационных воздействиях.
2. Предложен способ расчета коэффициента нагружения односкоростной
грузоподъемной лебедки барабанного типа и регистрации наработки по величине
потребляемой активной мощности электроприводом для расчета остаточного ре-
сурса.
3. Разработаны блок-схемы устройств для расчета коэффициента нагруже-
ния, регистрации наработки и контроля величины тормозного момента грузо-
подъемных лебедок, работоспособность которых проверена путем компьютерного
моделирования.
4. Создана экспериментальная установка грузоподъемной лебедки с канато-
ведущим шкивом, используемая для оценки результатов теоретических исследо-
ваний и в учебном процессе ТГАСУ при подготовке специалистов по направле-
нию 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства».
На защиту выносятся:
1. Математическая трехмассовая модель грузоподъемной лебёдки с канато-
ведущим шкивом, учитывающая жесткость демпфирования каната, трение между
канатом и шкивом, позволяющая исследовать динамические режимы работы,
обладающая повышенной информативностью о величине и характере эксплуата-
ционных воздействий.
2. Способы расчета коэффициента нагружения, регистрации наработки од-
носкоростной грузоподъемной лебедки барабанного типа и контроля тормозного
момента грузоподъемных лебедок по величине потребляемой активной мощности
электроприводом.
3. Алгоритмы работы устройства расчета коэффициента нагружения одно-
скоростной грузоподъемной лебедки барабанного типа и контроля технического
состояния тормоза грузоподъемных лебедок по электромеханическим перемен-
ным приводного двигателя.
4. Результаты исследований влияния динамических эксплуатационных воз-
действий на электромеханические переменные приводного электродвигателя гру-
зоподъемной лебедки, позволившие предложить новые способы: расчета коэффи-
циента нагружения; регистрации наработки; контроля технического состояния
тормоза.
Апробация работы. Основные результаты теоретических и эксперимен-
тальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на
конференциях и семинарах: 56-ая (57-ая, 58-ая, 59-ая) научно-технической кон-
ференция студентов и молодых ученых, Томск, 2010−2013 гг.; Томск; Междуна-
родная научно-техническая конференция «Интерстроймех-2011», Могилев, 2011
г.; Региональная научно-практическая конференция «Проблемы ремонта, обслу-
живания и безопасной эксплуатации грузоподъемных машин в условиях Западной
Сибири», Томск, 2012 г.; X (XI) Международная конференция студентов и моло-
дых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2013, 2014
гг.; VI Международная научно-техническая конференция «Электромеханические
преобразователи энергии», Томск 2013 г.; III Всероссийская научно-практическая
конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий кон-
троль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», Томск 2013 г.;
Международная заочная научно-практическая конференция «Современные тен-
денции в науке и образовании», Москва, 2014 г.; 60-ая (61-ая) Университетская
научно-технической конференция студентов и молодых ученых, Томск, 2014,
2015 гг.; 18-й научно-практический семинар по приборам и системам безопасно-
сти грузоподъемных машин, Сочи, 2014 г.; Международная научно-техническая
конференция «Интерстроймех-2015», Казань, 2015 г.
Публикации. Всего по данной тематике опубликовано 9 печатных работ, в
том числе две публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получен
один патент на изобретение.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены на
предприятиях: ООО «Сибирская электротехническая компания» – г. Томск;
ООО «Азбука Окон плюс» – г. Томск, а так же в учебном процессе кафедрами
общей электротехники и автоматики и строительных и дорожных машин механи-
ко-технологического факультета Томского государственного архитектурно-
строительного университета.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем
работы составляет 123 страницы, 64 рисунка, 7 таблиц.