Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА ПЕРВАЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
КРАНОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 15
Характеристика крановых ЭМС 15
Расчетные схемы и уравнения механизма передвижения и портала крана 26
Расчетные схемы и уравнения механизма подъема.. 45
Расчетные параметры механической части крановых
ЭМС 50
1.5. Выводы 57
ГЛАВА ВТОРАЯ. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ
КРАНОВЫХ ЭМС 58
Особенности анализа динамики электромеханических систем 58
Структурные схемы и передаточные функции многомассовых ЭМС с асинхронным электроприводом 61
Передаточные функции ЭМС без учета диссипации.. 73
Передаточные функции ЭМС с диссипативной механической частью 87
Выводы 97
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРАНОВЫХ ЭМС.. 98
3.1. Частотные характеристики электрической части
ЭМС с асинхронным электроприводом 98
Частотные характеристики крановых ЭМС с упругими связями 107
Анализ механической части ЭМС как элемента САУ 117
Особенности синтеза ЭМС с упругими связями 139
Выводы 157
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ПЕРЕХОДНЫЕ И КВАЗИУСТАНОВИШИЕСЯ РЕЖИМЫ
КРАНОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 159
Особенности математического моделирования ЭМС подъема и передвижения 159
Методика экспериментальных исследований на физических моделях и кранах 165
Стр.
Влияние параметров и режимов работы электропривода на динамику ЭМС. 173
Влияние структуры и параметров механической части на динамику ЭМС подъема и передвижения 181
Динамические режимы синхронизированных ЭМС передвижения кранов 198
Выводы 210
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 213
ЛИТЕРАТУРА 217
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Передаточные функции четырехмассовой МС с
последовательным соединением трех упругих зве
ньев 232
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Передаточные функции ЭМС подъема с последовательно-параллельным соединением упругих звеньев 234
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Приведение к виду, удобному для логарифмиро
вания, передаточных функций демпфированных мно
гомассовых МС 238
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Определение частотных характеристик типового
упругого звена МС 244
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Определение коэффициентов сдвига ЛАЧХ за
счет влияния упругого звена 246
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Характеристика крановых механических систем
как элементов САУ 249
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Описание математических моделей ЭМС 253
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Акт внедрения 256
' - 5 -
Введение к работе
В "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 г.г. и до 1990 года", одобренных ХХУІ съездом КПСС, в ряду первоочередных проблем указывается на необходимость "всемерно ускорять комплексную механизацию и автоматизацию...". На решение этой задачи направлены и рекомендации Всесоюзных конференций по автоматизированному электроприводу, Всемирного электротехнического конгресса, в которых подтверждена необходимость создания простых, надежных и точных электроприводов, обеспечивающих регулирование скорости в широком диапазоне и повышенное качество динамических процессов для современных машин и механизмов.
Прогрессивная технология монтажно-сборочных работ в судостроительной, атомной, гидроэнергетической и других отраслях промышленности предусматривает для вертикального и горизонтального перемещения изделий или их частей широкое использование подъемно-транспортного оборудования, в частности, тяжелых козловых кранов, грузоподъемность которых достигает 1000 т, высота подъема 100 м и пролет более 150 м [7] . При этом ответственные монтажные операции должны выполняться с высокой точностью, что требует применения плавно регулируемых электроприводов с достаточно широким диапазоном регулирования С более 20:1 ), стабилизацией скорости С етатизм менее 10% ), повьшенными динамическими показателями.Многие краны должны быть оснащены системами синхронизации и позиционирования.
Традиционно для таких технически сложных машин использовался электропривод постоянного тока, однако указанным техническим требованиям отвечают и современные асинхронные электроприводы, преимущественное применение которых рекомендуется УШ научно-технической конференцией по автоматизированному электроприводу [95] .
Легкий и средний режимы работы основных механизмов монтажных кранов допускают использование относительно простых электроприводов переменного тока с параметрическим регулированием, включая и такую их разновидность, как несимметричный асинхронный тиристорний электропривод с двумя встречно-параллельными тиристорами в одной из фаз статора [25, 36, 68, 115, 118, 122, 123] . Предельная простота и обусловленная ею повышенная надежность, экономичность, низкие массо-габаритные показатели и - что немаловажно - доступность для обслуживания эксплуатационным персоналом средней квалификации позволяют рассматривать его в качестве одного из перспективных массовых электроприводов для крановых механизмов.
С повышением технических требований к современным подъемно-транспортным машинам и используемым для них электроприводам все в большей степени проявляется взаимное влияние электропривода как переменного, так и постоянного тока и механической части машины. Показатели качества регулирования, а часто и технические данные машины определяются не только техническими возможностями электропривода, но и степенью такого влияния. В ряде случаев работоспособность машин, спроектированных без учета влияния механизма на электропривод, в реальных условиях эксплуатации оказывается ограниченной С например, производительность бумагоделательных машин фирмы ASEA, Швеция из-за влияния упругих связей и зазоров механической части значительно ниже проектной [б] ; асинхронный тиристорний электропривод подъема при проверке на стенде ведет себя в соответствии с предъявляемыми требованиями, а при установке на кран его показатели значительно ухудшаются [бО]). Поэтому становится необходимым рассматривать электрическую и механическую части машины как единое целое - электромеханическую систему ( ЭМС ), обеспечивающую выполнение заданных технологических операций.
Основой для исследований таких систем являются теория коле-
- 7 -баний и теория электропривода. Большой вклад в развитие теории
колебаний деформируемых механических систем внесли фундаментальные работы А.Н.Крылова, А.М.Боголюбова, С.П.Тимошенко, И.М.Бабакова, Я.Г.Пановко, Дж.П.Ден-Гартога, А.Тондла и др. Основополагающую роль в теории динамических процессов в асинхронном электроприводе сыграли труды И.М.Постникова, Е.Я.Казовского, А.Т.Голована, Ю.А.Сабинина, М.Г.Чиликина, К.П.Ковача, И.Раца, Б.Адкинса и др. Динамике асинхронного электропривода с тиристорним управлением посвящены работы А.С.Сандлера, И.П.Копылова, М.М.Соколова, В.А.Шубенко, Л.П.Петрова, Г.Б.Онищенко и др. В этих исследованиях механическая часть, как правило, рассматривалась в виде дополнительной инерционной массы, приведенной к валу двигателя через параметры кинематической передачи, или не учитывалась вовсе, что допускалось поставленными задачами исследований.
Вопросы взаимодействия электропривода и механизма являются предметом теории электромеханических систем, основанной работами С.Н.Кожевникова, Н.Н.Дружинина, Л.И.Цехновича, В.И.Кпючева,Д.П.Вол-кова, М.С.Комарова, В.В.Болотина, А.А.Сиротина, Б.В.Квартальнова, А.Ленка [бі] , Д.Траксела, В.Шпеча [126] и др. Конкретизация теории электромеханических систем применительно к подъемно-транспортным машинам выполнена в работах М.С.Комарова, С.А.Казака, М.М.Гохберга, И.И.Абрамовича, В.П.Балашова, Н.И.Ерофеева и др. ; для других специальных машин - в трудах Ю.А.Борцова, В.М.Шестако-ва, В.Д.Барышникова, Д.А.Каминской, Б.Ш.Бургина, Г.Г.Соколовского и др. Широко известны работы, выполненные в этих направлениях научными коллективами МЭИ, УПИ, ОПИ, ЛЭТИ, ХПИ, ВНИИЭлектропривод, ВШИПТМАШ ; за рубежом - фирмами Siemens , AEG > ASEA
В настоящее время достаточно подробно изучено влияние характеристик электропривода на статические и, особенно, динамические нагрузки в элементах кинематических цепей и металлоконструкции машины [5, 18, 28, 37, 53, 64, 117] , что имеет большое практи-
- 8 -ческое значение как для разработки современных конструкций механизмов, так и для уточнения требований к электроприводу, в частности - к его динамическим характеристикам. Углубленное изучение поставленных вопросов потребовало дальнейшего развития теории переходных процессов электропривода [2, 50, 81, 114, 127J , разработки математического описания и создания математических моделей двигателя и тиристорных преобразователей в различных режимах работы [23, 72, 79] , исследования устойчивости и колебательности замкнутых систем асинхронного электропривода [20, 21, 67, 121] .
Аналогичные работы выполнены и для механической части машин: разработаны структурные схемы и записаны уравнения движения различных механизмов Г18, 28, 37, 42, 53,64,76,94, 99] , выполнено математическое описание, позволяющее рассчитывать и исследовать АФХ различных механических систем и оценивать их динамические свойства [58, 86, 106 ] , разработаны методы математического моделирования механических систем [4, 14, 17, 42] и математические модели различных конкретных механизмов.
Опыт разработки и внедрения новых машин с электроприводом, обеспечивающим повышенные технические показатели в замкнутых системах регулирования, показывает необходимость учета и исследования обратного специфического влияния механизма с упругими связями и зазорами на динамику электропривода. В ряде работ [10, 42, 47, 119] указано, что такое влияние неблагоприятно сказывается на работе электроприводов, являясь причиной автоколебаний. Последние снижают производительность, надежность и долговечность машин, повышают динамические нагрузки в кинематических передачах и металлоконструкциях, приводя к их разрушению. Исследованию этой стороны взаимодействия электрической и механической частей ЭМС в последнее время уделяется повышенное внимание [б, 10, II, 13, 33, 48,
49, 65, 91» ЮЗ, III, 119] . Разработаны детализированные структурные схемы ЭМС экскаваторов [17] , бумагоделательных машин [б, 12] , шахтных подъемных установок [31, 83] и различных других машин с электроприводами постоянного тока, выполнено их математическое описание и проведены исследования динамики с учетом взаимного влияния обеих составных частей машин. Показано, что при разработке, например, систем подчиненного регулирования учет упругих связей и зазоров обязателен для их настройки и оптимизации [12, 15] .
Особое значение приобретает исследование динамики ЭМС с асинхронным электроприводом и параметрическим регулированием, где жесткие механические характеристики могут быть получены только в замкнутой системе с обратной связью по скорости ; в ней запасы устойчивости невелики даже при невысоких требованиях к качеству регулирования.
Таким образом, дальнейшее совершенствование создаваемых высокопроизводительных машин с асинхронным электроприводом невозможно без углубленного изучения динамических процессов в ЭМС и исследования особенностей влияния упругих связей и зазоров многомассовой механической части машины на динамику замкнутых систем электропривода.
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию указанной проблемы, ряд вопросов еще не нашел своего окончательного решения. При изучении динамики сложных систем электропривода механическую часть, как правило, представляют в виде двух-массовой системы с одной упругой связью [II, 15, 40, 47, 49, 65, 66, 90, 117] . Значительно реже механическая часть рассматривается в виде трехмассовой с двумя упругими связями, но без учета демпфирования электроприводом и внутреннего трения [112] . Однако исследования сложных ЭМС с замкнутой системой асинхронного электропривода показывают, что влияние многомассовой механической
части с несколькими упругими связями значительно сложнее, чем это' следует из анализа двухмассовой системы. Недостаточно эффективны исследования особенностей влияния механизма на динамику электропривода в замкнутой системе регулирования, выполняемые на основе известных дифференциальных уравнений и передаточных функций ЭМС, записанных без разделения электрической и механической частей. Затруднительно использовать для решения поставленной задачи и результаты исследования частотных характеристик собственно механических систем в виде самостоятельных объектов из-за сложности и недостаточной наглядности использовавшихся средств анализа С решение систем дифференциальных уравнений и определение АФХ численными методами на ЦВМ ) и отсутствия связи с энергетической частью машины. Недостаточно рассмотрены и обобщены свойства механической части ЭМС как объекта, входящего в систему автоматического управления С САУ ), при различных вариациях структуры и параметров механических систем. Поэтому задача разработки математических средств анализа устойчивости и синтеза электромеханических систем с многомассовой механической частью, содержащей несколько упругих связей, является весьма актуальной, а ее решение найдет свое полезное применение в проектной практике организаций, занимающихся созданием новых высокопроизводительных машин, в частности монтажных кранов с повышенными техническими возможностями.
Одним из важных вопросов анализа и синтеза ЭМС является обоснование достаточной степени детализации механической части и выбор основных рассматриваемых упругих связей. Учитывая сложность и громоздкость анализа многомассовых систем, понятно стремление большинства исследователей к упрощению механической части до двухмассовой с одной упругой связью. Однако результаты анализа и экспериментальных исследований [60 ] показывают, что при рассмотрении современных ЭМС в замкнутой системе регулирования с повьшенны-
- II -
ми требованиями к качеству такое упрощение не всегда допустимо. Пренебрежение некоторыми из упругих связей иногда приводит к существенным ошибкам в результатах исследований и неэффективности выбранных устройств коррекции. Поэтому одной из основных задач анализа ЭМС является определение критериев разумной идеализации, позволяющей получать достоверные результаты с достаточной точностью при наименьшей трудоемкости [ 17, 37, 42] .
Особое значение представляет задача создания синхронизированных электромеханических систем передвижения тяжелых кранов с возможностью позиционирования. Здесь помимо влияния механических упругих связей на раздельные многодвигательные электроприводы передвижения каждой опоры крана С до 12 и более двигателей на опоре ) необходимо учитывать взаимные связи между электроприводами через электрические синхронизирующие сигналы и механические упругие связи через металлоконструкцию крана. В такой ЭМС статические и динамические ошибки системы регулирования ( рассогласования путей и скоростей передвижения опор ) приводят к появлению дополнительных нагрузок от сил перекоса, повышенному износу ходовой части, а также требуют избыточных запасов прочности и металлоемкости конструкций кранов и подкрановых сооружений [і, 28, 29, 59] .
Решению этих задач и посвящена диссертационная работа, в которой поставленные вопросы рассматриваются на примере электромеханических систем подъема и передвижения тяжелых монтажных козловых кранов. Полученные результаты легко распространить на другие виды кранов - мостовые, полукозловые, перегружатели, которые могут быть представлены как частные случаи козловых.
Цель работы - разработка рекомендаций по анализу и синтезу электромеханических систем кранов ( в частности,монтажных козловых ) с асинхронным тиристорным электроприводом и учетом особенностей многомассовых механических систем.
- 12 -Поставленная цель потребовала решения следующих основных задач:
разработки расчетных схем и математического описания крановых механических систем ;
разработки математических моделей крановых ЭМС подъема и передвижения;
получения в виде, удобном для логарифмирования, передаточных функций многомассовых механических систем с учетом демпфирования электроприводом и рассеяния энергии в упругих связях ;
анализа устойчивости и разработки рекомендаций по синтезу электромеханических систем с упругими связями ;
исследования особенностей взаимного влияния электрической и механической частей ЭМС при различных вариантах их исполнения и уровнях детализации.
Указанными задачами определена структура диссертационной работы, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе проведен сравнительный анализ крановых электромеханических систем. Учитывая высокий уровень известных разработок электрической части ЭМС, основное внимание уделено математическому описанию механической части. Выполнено исследование деформаций и перемещений элементов пространственной металлоконструкции портала козлового крана и обосновано сокращение числа учитываемых степеней свободы. Разработаны расчетные схемы механической части и записаны уравнения движения ЭМС подъема и передвижения крана. Приведены расчетные зависимости для определения коэффициентов жесткости и других параметров крановых механических систем.
Во второй главе рассмотрены особенности крановых электромеханических систем как систем автоматического регу-
- ІЗ -
лирования. Структурные схемы замкнутой системы преобразованы с выделением механической части в виде эквивалентного динамического звена, включенного последовательно со звеньями электрической части в прямом тракте замкнутого контура. Это позволяет исследовать устойчивость ЭМС частотными методами при высокой степени детализации механической и электрической частей. Получены передаточные функции а -массовой механической системы. Выполнены приведения передаточных функций многомассовых механических систем к виду, удобному для логарифмирования. Получены выражения для определения постоянных времени и параметров затухания расчетных динамических звеньев.
В третьей главе приведены результаты анализа устойчивости и рекомендации по синтезу крановых ЭМС. Показано, что запасы устойчивости замкнутой системы регулирования с упругими связями механической части значительно ниже, чем той же системы без учета упругих связей. Приведены результаты исследования механической части ЭМС как элемента САУ, получены выражения, характеризующие снижение показателей устойчивости за счет влияния упругих связей. Сформулирована дополнительная задача синтеза ЭМС с упругими связями. Определены значения дополнительных запасов устойчивости, необходимых для компенсации влияния упругих связей, и рекомендации по выбору параметров желаемых частотных характеристик ЭМС в зависимости от параметров механической части. Приведена рекомендуемая методика синтеза ЭМС с упругими связями. Определены условия, при которых упругие звенья не оказывают существенного влияния на частотные характеристики ЭМС и ими можно обоснованно пренебречь при анализе и синтезе.
В четвертой главе исследуются динамические и квазиустановившиеся режимы различных вариантов крановых электромеханических систем подъема и передвижения. С этой целью использу-
ются разработанные детализированные математические модели ЭМС подъема и синхронизированной ЭМС передвижения. Достоверность моделей подтверждена сопоставлением с результатами экспериментальных исследований на лабораторных стендах и реальных кранах. Исследовано влияние различных факторов ЭМС, в том числе упругих связей механической части, на динамические процессы, амплитуду и частоту автоколебаний. Изучено взаимодействие электропривода с механическими системами при различной степени их детализации с учетом упругих связей, зазоров в кинематических передачах, потерь от внутреннего трения. Исследованы особенности динамики синхронизированных ЭМС передвижения при различных способах синхронизации. Определены рекомендации по исполнению электрической части ЭМС в зависимости от структуры механической части. Приведены результаты реализации рекомендаций по синтезу одноприводных и двухприводных многодвигательных ЭМС подъема и передвижения козловых кранов.
Общий объем диссертации 256 стр., в том числе 148 стр. основного машинописного текста, 64 рисунка и б таблиц на 58 стр., перечень используемой литературы на 13 стр. из 128 наименований и 8 приложений на 23 стр.
