Введение к работе
Актуальность темы
Автоматизация является одним из магистральных направлений развития большинства отраслей материального производства, в том числе и предприятий машиностроения. Причём в решении проблемы автоматизации на всех этапах её существования особое значение имела задача разработки более точных математических описаний для реализации более качественных систем автоматического управления, наиболее приспособленных к восприятию технологических процессов, осуществлять которые предназначены машины, подлежащие автоматизации.
Среди основных проблем автоматизации технологических процессов на предприятиях машиностроения, важное место занимает проблема автоматизации транспортно-складских операций. Необходимость решения подобных задач связана с проблемами повышения производительности труда, с увеличением безопасности труда, а также с увеличением срока службы производственного оборудования. В этой связи, чрезвычайно актуальными являются вопросы разработки, модернизации и совершенствования подъёмно-транспортных механизмов, в том числе механизмов, получивших название мостовые краны-штабелеры.
Мостовые краны-штабелеры - представляют собой объект повышенной ответственности. Прежде всего, кран-штабелер - это подъёмно-транспортный механизм, разрушение или повреждение которого вследствие активных динамических нагрузок, представляет опасность для жизни обслуживающего персонала. Помимо этого, в большинстве случаев кран-штабелер - это единственное средство доступа к грузам, находящимся в хранилище, поэтому даже разовые отказы крана-штабелера нарушают работу целого производственного комплекса, что особенно чувствительно для складов интенсивных производств и технологических линий.
Для предотвращения подобных отказов и преждевременных разрушений кранов-штабелеров необходимо принимать меры для снижения рывков при пуске и торможении, которые обусловлены электроприводом. Однако качественное управление кранами-штабелерами невозможно без математической модели, максимально точно описывающей его работу.
Интерес к изучению процессов транспортирования грузов мостовыми
кранами-штабелерами прослеживается как у отечественных, так и у
зарубежных исследователей, однако в большинстве своём математические
модели подобных систем сводятся к усреднённым, линеаризованным или не
учитывающим определённых особенностей функционирования
двухмассовой системы с переменной жёсткостью, что вносит существенную погрешность в конечные результаты.
Таким образом, развитие существующих и создание новых математических моделей систем мостовых кранов-штабелеров и их элементов, а также создание специализированного программного комплекса для проведения исследований динамических свойств мостовых кранов-штабелеров, являются чрезвычайно актуальными.
Помимо этого, важны разработка и исследование специализированной
системы автоматического управления (САУ) мостовым краном-штабелером,
обеспечивающей автоматическое демпфирование колебаний
грузозахватного комплекса в процессе его различных режимов перемещения.
Решение поставленных задач направлено на повышение технических характеристик мостовых кранов-штабелеров, главным образом, в направлении повышения их производительности.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели мостового крана-штабелера, позволяющей реализовать САУ перемещением грузозахватного комплекса и исследовать возможности повышения точностных характеристик её функционирования, что в конечном итоге способствует повышению производительности подъёмно-транспортного оборудования.
В связи с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
1. Анализ существующих математических моделей мостовых кранов-
штабелеров, а также САУ перемещением грузозахватных комплексов.
2. Разработка математической модели мостового крана-штабелера,
позволяющей исследовать его динамические свойства в процессе
двухкоординатного перемещения грузозахватного комплекса с переменной
жёсткостью между двумя массами.
3. Исследование возможностей повышения точностных характеристик
САУ перемещением грузозахватных комплексов.
4. Исследование вариантов построения САУ перемещением
грузозахватных комплексов.
5. Разработка новых технических решений по совершенствованию
грузозахватных комплексов.
Научная новизна работы
1. Разработана математическая модель мостового крана-штабелера,
позволяющая исследовать его динамические свойства как двухмассовой
системы с упругой связью между массами, характеризуемой переменной
жёсткостью, в режимах с различными скоростями, ускорениями, траекториями
движения и загруженностями грузозахватного комплекса.
2. Разработана структурная схема САУ мостовым краном-штабелером на
основе использования метода упреждающей коррекции и системы активного
демпфера, обеспечивающая при различных скоростях, ускорениях, траекториях
перемещения и загруженности грузозахватного комплекса, снижение
колебательных составляющих регулируемых параметров.
3. Исследованы возможные варианты реализации динамической
коррекции разработанной системы управления грузозахватным комплексом.
Показано, что повышение качества регулирования целесообразно осуществлять
на основе метода упреждающей коррекции.
Исследованы возможные варианты реализации упреждающей коррекции и выбран вариант, наиболее предпочтительный с точки зрения технической реализации.
Разработаны новые конструкции грузозахватных устройств, защищенные патентами Российской Федерации, способствующие повышению надёжности мостовых кранов-штабелеров, а также расширению их функциональных возможностей.
Практическая ценность
Использование разработанной математической модели мостового крана-штабелера позволяет исследовать динамические свойства мостового крана-штабелера при различных режимах работы и траекториях перемещения грузозахватных комплексов, что позволит ещё на стадии проектирования автоматического склада определять наиболее рациональные режимы работы мостовых кранов-штабелеров.
Применение разработанной в диссертации САУ мостового крана-штабелера с реализацией метода упреждающей коррекции и системы активного демпфера колебаний, способствует увеличению производительности мостовых кранов-штабелеров, повышению их надёжности, безопасности и безаварийности при различных режимах работы и траекториях перемещения грузозахватных комплексов.
3. Разработанные конструкции грузозахватных устройств, способствуют
повышению надёжности мостовых кранов-штабелеров, а также расширению их
функциональных возможностей и упрощению конструкции самого механизма.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом
государственных бюджетных работ кафедры «Электропривод и АПУ» ГОУ
ВПО «Ульяновского государственного технического университета» и договора
№Д-134 от 25.09.2007 г. между ГОУ ВПО «УлГТУ» и ОАО «Ульяновский
научно-исследовательский и проектно-технологический институт
машиностроения» на создание и передачу научно-технической продукции.
Результаты диссертационной работы были использованы:
В ООО «Контакт-М» при модернизации мостового крана-штабелера модификации ОК-1.0 для автоматизированного складского комплекса.
В ОАО «УНИПТИМАШ», путём передачи разработанных автором материалов по математическому моделированию мостового крана-штабелера.
В учебном процессе ГОУ ВПО «УлГТУ» при подготовке студентов по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» в курсе «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и комплексов».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Разработанная математическая модель мостового крана-штабелера, позволяющая исследовать его динамические свойства при различных режимах
работы и траекториях перемещения грузозахватного комплекса за счёт возможности учёта изменяющейся жёсткости между двумя массами в процессе его двухкоординатного движения.
Разработанная в диссертации САУ мостовым краном-штабелером с реализацией метода упреждающей коррекции и системы активного демпфера, позволяющая эффективно бороться с колебаниями грузозахватного комплекса при различных скоростях, траекториях перемещения и загруженности, тем самым повышая надёжность и производительность системы.
Определены показатели, характеризующие суточную загруженность мостовых кранов-штабелеров. Установлено процентное соотношение циклов работы крана-штабелера с различными массами поднимаемых грузов.
4. Новые конструкции грузозахватных устройств, защищенные
патентами Российской Федерации, способствующие расширению
функциональных возможностей мостовых кранов-штабелеров, а также
повышению их надёжности.
Методы исследования
Теоретические исследования проведены с использованием основных положений теоретической механики, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теории электропривода, математической теории электрических машин и математического моделирования на ЭВМ. Исследование динамики мостовых кранов-штабелеров проводится при помощи эксперимента на реальном объекте и на ЭВМ.
Достоверность
Достоверность полученных результатов подтверждается строгостью математической постановки задачи исследования, корректным использованием математического аппарата, результатами математического моделирования и их близостью с результатами эксперимента на реальном объекте.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:
1. V Международная (XVI Всероссийская) конференция по
автоматизированному электроприводу, г. Санкт-Петербург, 2007 г.
2. IV Международная научно-техническая конференция УВАУГА, г.
Ульяновск, 2007 г.
3. Всероссийская научно-практическая конференция УГСХА, г.
Ульяновск, 2008 г.
4. Региональная научно-техническая конференция УлГТУ, г. Ульяновск,
2008 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 5 тезисов докладов, 3 патента Российской Федерации, 7 статей в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (182 наименования) и приложений (3 страницы), включает 150 страниц машинописного текста, 63 рисунка и 5 таблиц.
