System do eksperymentalnej identyfikacji ukosowania suwnicy pomostowej natorowej

Transkrypt

1 CZABANOWSKI Robert 1 System do eksperymentalnej identyfikacji ukosowania suwnicy pomostowej natorowej WSTĘP Zjawisko ukosowania występuje jako nieodzowna składowa obciążeń suwnicy pracującej w warunkach eksploatacyjnych, ujmowana w obliczeniach przez konstruktora na podstawie norm [8, 9], które pozwalają uwzględniać zarówno parametry konstrukcyjne jak i eksploatacyjne projektowanego ustroju. Obecnie, suwnice są wyposażane w układy zabezpieczające, tzw. ograniczniki zukosowania, które pozwalają, w zależności od zastosowanego rozwiązania, na ciągłe monitorowanie stanu suwnicy i minimalizację wpływu zukosowania albo w sposób ciągły lub okresowy, np.: poprzez dynamiczne korygowanie nastaw układu napędowego, albo wyłączenie napędu z uwzględnieniem dynamiki hamowania aby uniknąć obciążeń od wahań transportowanej jednostki ładunkowej. 1. UKOSOWANIE SUWNICY JAKO ŹRÓDŁO OBCIĄŻEŃ USTROJU NOŚNEGO SUWNICY Suwnice są projektowane z uwzględnieniem obciążeń zróżnicowanych co do rodzaju, wielkości, czasu i częstości oddziaływania oraz źródła ich pochodzenia. Obciążeniami istotnymi dla poprawnego kształtowania ustrojów nośnych i ich bezpiecznej eksploatacji są niewątpliwie obciążenia dynamiczne, powodowane: uderzeniem suwnicy w odboje [7] (lub zderzeniem z drugą suwnicą na torze jezdnym), przejazdami kół suwnicy przez nierówności na torze jezdnym [3, 6], oraz obciążenia powodowane tzw. zukosowaniem suwnicy na torze jezdnym. Ukosowanie suwnicy to każde odchylenie położenia ustroju nośnego suwnicy na torowisku od położenia idealnego (oś wzdłużna ustroju jest w nim prostopadła do osi torowiska) trakcie ukosowania lub po jego zakończeniu [4, 5]. Ukosowanie ma często charakter przypadkowy i jest zależne od wielu parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. Należą do nich [2, 4]: rozkład obciążeń zewnętrznych działanie układu sił bezwładności rozłożonych asymetrycznie mas własnych suwnicy zróżnicowane opory ruchu kół jezdnych po torowisku, zróżnicowane zużycie bieżni kół jezdnych wymiary geometryczne ustroju nośnego oraz stosunek rozmieszczenia kół jezdnych w czołownicach do rozpiętości mostu sposoby łożyskowania i montażu kół jezdnych w czołownicach siły parcia wiatru siły napędowe, odchyłki (wynikające głównie z tolerancji wykonawczych): geometrii ustroju nośnego ustawienia kół jezdnych suwnicy ułożenia szyn torowiska Proces ukosowania jest szeroko analizowany zarówno analitycznie jaki i doświadczalnie [2-7]. Bez względu na sposób modelowania i/lub badania tego zjawiska, można wyróżnić dwa etapy ukosowania: 1 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych, ul. Łukasiewicza 7/9, Wrocław, tel , fax , Robert.Czabanowski@pwr.wroc.pl 833

2 ukosowanie swobodne nieodkształcony ustrój nośny suwnicy obraca się w płaszczyźnie działanie sił bocznych w zakresie luzów pomiędzy główkami szyn i obrzeżami kół (lub rolkami prowadzącymi), nie występuje kontakt obrzeży kół (lub rolek prowadzących) z główką szyny, a siła boczna jest ograniczona do sił sprzężenia ciernego pomiędzy bieżniami kół jezdnych a szynami (rys. 1b); ukosowanie nieswobodne (sprężyste) występuje sprzężenie kształtowe obrzeży kół (lub rolek prowadzących) z główkami szyn) siły boczne są zdecydowanie większe i zależą od wypadkowego momentu sił bocznych i sztywności ustroju nośnego w płaszczyźnie działania tych sił skutkuje to sprężystym odkształceniem ustroju nośnego suwnicy (rys. 1c). Oczywiście, całkowite zukosowanie suwnicy będzie u ogólności sumą obu wymienionych wyżej zukosowań (rys. 1d). Do oceny stopnia zukosowania suwnicy można wybrać różne wielkości jako jego miary. Zukosowanie całkowite najlepiej identyfikować badając różnicę przebytych dróg przez czołownice, dla oceny zukosowania sprężystego lepszą miarą będzie kąt odkształcenia sprężystego. Wskaźnikiem stanu zukosowania sprężystego mogą być też (mimo niełatwej implementacji w rzeczywistym układzie i trudności interpretacyjnych) wartości sił bocznych, ale kontrolowanych w sposób permanentny, na wszystkich kołach jezdnych z obrzeżami (lub rolkach prowadzących), zarówno co do amplitudy jaki znaku. Rys. 1. Położenia i miary zukosowania idealnego ustroju nośnego suwnicy na idealnym torowisku: a) położenie idealne, b) zukosowanie swobodne ustroju nieodkształconego sprężyście, c) zukosowanie sprężyste ustroju nieobróconego na torowisku, d) zukosowanie całkowite ustroju nośnego odkształconego sprężyści i obróconego na torowisku [4] 2. SYSTEM KONTROLI ZUKOSOWWANIA LABORATORYJNEJ LEKKIEJ SUWNICY POMOSTOWEJ Laboratorium Katedry Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych jest wyposażone w lekką suwnicę pomostową natorową (rys. 2). Zastosowano w niej standardowy w tej grupie urządzeń układ napędowy oraz wyposażono ją w system sterowania umożliwiający sterowanie urządzeniem zarówno manualnie, przy pomocy kasety sterowniczej (w wersji przewodowej lub bezprzewodowej) jak i z wykorzystaniem sterownika PLC. Istotnym wyposażeniem suwnicy jest układ pomiarowy umożliwiający identyfikację wybranych obciążeń oraz parametrów kinematycznych suwnicy. 834

3 Rys. 2. Suwnica pomostowa natorowa w Laboratorium Katedry Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych 2.1 Układ napędowy jazdy suwnicy Jazda suwnicy po torowisku jest realizowana poprzez dwa identyczne elektronapędy złożone z: falownika (firmy Vacon) i motoreduktora walcowego (firmy Nord) (rys. 3). Motoreduktory są zblokowane wprost z kołami jezdnymi czołownic. Z uwagi na omawiane zagadnienie należy zauważyć, że obecnie synchronizacja pracy obu elektronapędów jazdy suwnicy jest realizowana jedynie poprzez podawanie na wejścia cyfrowe obu falowników identycznych sygnałów sterujących, bez żadnego sprzężenia zwrotnego oraz bez kontroli jednoczesności zadziałania obu napędów. Rys. 3. Elementy układu napędowego jazdy suwnicy laboratoryjnej: falownik (1) i motoreduktor (2) zblokowany z kołem jezdnym czołownicy 2.2 Sterownik Przewidując potrzebę testowania suwnicy przy pracy autonomicznej, rozbudowano układ sterowania suwnicy o sterownik PLC. Zastosowane urządzenie firmy Beckhoff model CX1000 [1] (rys. 4) to typowy przedstawiciel sterowników przemysłowych: modułowa struktura umożliwiająca odbieranie i wysyłanie cyfrowych sygnałów sterujących oraz akwizycję sygnałów pomiarowych z przetworników pomiarowych zainstalowanych na suwnicy oraz komunikację z otoczeniem z wykorzystaniem protokołu TCP/IP. Rys. 4. Sterownik PLC firmy Beckhoff o budowie modułowej (1-jednostka centralna (CPU), 2-porty komunikacyjne, 3-moduły we/wy) [1] 835

4 2.3 Układ pomiarowy Na potrzeby realizacji prac naukowo-badawczych oraz zajęć dydaktycznych wyposażono suwnicę w układ pomiarowy umożliwiający identyfikację: wybranych obciążeń ustroju nośnego suwnicy oraz położenia i parametrów kinematycznych ustroju nośnego i przemieszczanej jednostki ładunkowej. Z uwagi na identyfikację zjawiska ukosowania suwnicy, godne uwagi są przetworniki do pomiaru sił bocznych oraz enkodery inkrementalne zblokowane z dodatkowymi kołami pomiarowymi. W suwnicy laboratoryjnej zastosowano koła jezdne wykonane z tworzyw sztucznych, co w zasadzie implikuje sposób zabezpieczania suwnicy przed spadnięciem z torowiska. Zastosowano układ 4 zespołów rolek zblokowanych z czołownicami i obejmujących główkę szyny tak, aby przenosić siły boczne (rys. 5). Rys. 5. Rolki układu prowadzenia z tensometrycznym przetwornikiem pomiarowym Sposób mocowania zespołów rolek umożliwił zabudowę przetworników siły bocznych (F H1i, F H2i ) zrealizowanych jako sworznie pomiarowe, na których naklejono układy tensometrów do pomiaru sił tnących. Sworznie te są ścinane siłami S H1i, S H2i, których momenty względem osi obrotu górnego sworznia obejmy rolek (szczegół A na rys.6) równoważą momenty względem tej osi pochodzące od mierzonych obciążeń F H1i, F H2i. Podukład do pomiaru sił bocznych obejmuje 4 tensometryczne punkty pomiarowe PT H11, PT H12, PT H21, PT H22 zrealizowane w postaci pełnych mostków Wheastone a. Każdy taki mostek wymaga podłączenia do urządzenia, które zapewni, obok stabilnego zasilania, wzmocnienie i filtrację dolnoprzepustową sygnału wyjściowego. Na suwnicy laboratoryjnej pomiary sił bocznych są możliwe na dwa sposoby: Rys. 6. Lokalizacja tensometrycznych punktów pomiarowych PT H1i, PT H2i wybranych obciążeń poziomych F H1i, F H2i ustroju nośnego suwnicy z wykorzystaniem wzmacniacza pomiarowego dedykowanego do współpracy z mostkami rezystancyjnymi (np.: MGCPlus lub Spider8 firmy Hottinger Baldwin Messtechnik) rozwiązanie wykorzystywane przy pomiarach sił bocznych bez interakcji z układem sterowania (rys. 7) 836

5 przy użyciu sterownika PLC zabudowane w nim moduły umożliwiają zasilanie układów tensometrów (2 moduły KL9510 [1]) i akwizycję sygnałów wyjściowych (4 moduły KL3356 [1]), co umożliwia wykorzystanie tych sygnałów przez układ sterowania (rys. 9). Rys. 7. Schemat tensometrycznego układu pomiarowego poziomych obciążeń F H1i, F H2i ustroju nośnego suwnicy pomostowej W celu identyfikacji parametrów kinematycznych suwnicy zastosowano dwa zespoły (po jednym na czołownicę) zwane w technice pojazdowej piątym kołem (rys. 8). Dzięki sprężynie (5) i śrubie regulacyjnej (6) można zapewnić niezawodny kontakt gumowanej bieżni koła pomiarowego (3) z szyną minimalizując ryzyko wystąpienia poślizgu. W układzie zastosowano enkoder inkrementalny (1), co przy średnicy koła (3) równej 100 mm pozwala z dużą dokładnością rejestrować przemieszczenia suwnicy. Oczywiście, przy maksymalnej prędkości jazdy (1 m/s) i rozdzielczości endodera równej 1024, wymagane jest użycie dość szybkich liczników (f 3,5 khz), co osiągnięto montując w sterowniku PLC odpowiednie moduły (KL1501 [1]). Rys. 8. Piąte koło do identyfikacji parametrów kinematycznych (1 enkoder inkrementalny, 2 element odbierający moment, 3 koło pomiarowe, 4 sworzeń mocujący, 5 sprężyna naciągowa, 6 śruba regulacyjna, 7 uchwyt mocujący) 2.4 System kontroli zukosowania suwnicy Ciągły pomiar prędkości i rzeczywistych przemieszczeń każdej czołownicy pozwala na ocenę wyprzedzenia jednej względem drugiej. Umożliwia to ograniczenia ukosowania suwnicy zarówno metodą pasywną jaki i aktywną [4], w zależności od realizownego algorytmu zaimplementowanego w programie realizowanym przez sterownik PLC. Metoda pasywna wymaga ciągłego sprawdzenia wielkości zukosowania i polega w zasadzie na wyłączeniu napędów jazdy po przekroczeniu 837

6 dopuszczalnej wielkości. Bardziej wymagająca metoda aktywna, wymaga ciągłej kontroli i korygowania jazdy suwnicy poprzez odpowiednie sterowanie elektronapędami jazdy, tak aby utrzymać zukosowanie w założonych granicach. Algorytm sterowania powinien móc, uwzglęniając np.: szybkość zmian zukosowania, reagować z wyprzedzeniem, tak aby wprowadzane korekty nie wprowadzały dodatkowych obciążeń, np.: od przyspieszeń przemieszczanych przez suwnicę jednostek ładunkowych Pomiar sił bocznych odgrywa rolę pomocniczą, ale umożliwia orientacyjną ocenę co do kierunku zmian stopnia zukosowania. Niestety, ocena uzyskiwanych wielkości sił bocznych musi uwzgledniać wykonywane zadania transportowe (monitorowane przez układ sterowania), gdyż np.: przyspieszenia wózka wciągarki przemieszczającej się w kierunku prostopadłym do torowiska będą wpływały na wielkość mierzonych sił bocznych. Rys. 9. Schemat systemu pomiarowego do kontroli zukosowania suwnicuy (E-enkodery inkrementalne) WNIOSKI Przedstawiony system pomiarowy umożliwia pozyskiwanie informacji na temat zukosowania całkowitego suwnicy pomostowej poruszającej się po torowisku. Wykorzystanie dodatkowych rolek pomiarowych (tzw. piąte koła ) pozwala praktycznie wyeliminować ewentualne błędy wynikające z poślizgów biernych kół jezdnych suwnicy. Opisany układ pomiarowy zostanie wykorzystany do zbudowania systemu spełniającego rolę ogranicznika zukosowania suwnicy. Wymaga to przebudowy układu sterowania tak aby umożliwić indywidualne sterowanie każdym z obu elektronapędów jazdy suwnicy. Ponadto, przedstawiony układ do pomiaru sił bocznych pozwala na eksperymentalną weryfikację ich wielkości w stosunku do wyników uzyskiwanych drogą analityczną według algorytmów obliczeniowych opisanych w normach [8, 9]. Streszczenie W artykule przedstawiono zagadnienie ukosowania suwnic jako zjawiska istotnego dla bezpiecznej eksploatacji suwnic i poprawnego ich wymiarowania. Scharakteryzowano czynniki wpływające na wielkość zukosowania suwnicy. Opisano możliwości eksperymentalnej identyfikacji wielkości zukosowania suwnicy i zaproponowano wielkości fizyczne będące dobrą miarą zukosowania całkowitego suwnicy. Przedstawiono zaimplementowany na laboratoryjnej lekkiej suwnicy pomostowej natorowej układ pomiarowy umożliwiający zarówno pomiar sił bocznych jak i identyfikację parametrów kinematycznych jazdy suwnicy (położenia i prędkości obu czołownic) w celu określenia wielkości zukosowania całkowitego suwnicy. Zastosowane w tym przypadku znane z techniki pojazdowej tzw. piąte koło umożliwia wyeliminowanie poślizgów stosowanych dotąd biernych kół jezdnych suwnicy. Słowa kluczowe: suwnice pomostowe, ukosowanie suwnic, obciążenia dynamiczne, systemy pomiarowe 838

7 System for experimental identification of the bevel of the overhead travelling crane Abstract The article presents the problem of the bevel of cranes as a phenomenon essential for the safe operation of cranes and their correct dimensioning. Characterize the factors affecting the size of the bevel of the crane. Describes the experimental identification of opportunities bevel size of the crane and proposed physical quantities that are a good measure of the total crane beveling. Presented implemented in laboratory light overhead traveling crane measurement system that allows the measurement of lateral forces and the identification of kinematic parameters driving the crane (position and velocity of the two headstocks) to determine the size of the total crane beveling. Applied in this case, known in the art vehicle so. "fifth wheel" eliminates slippage previously used passive crane wheels. Keywords: overhead travelling crane, the bevel of the crane, dynamic loads, measuring systems BIBLIOGRAFIA 1. Beckhoff strona internetowa producenta (data dostępu: grudzień 2012) 2. Cichocki W., Michałowski S., Inżynieria środków transportu przemysłowego. Metodyka obliczeń i projektowania mechanizmów napędowych dźwignic wybrane zagadnienia, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, Grabowski E., Kosiara A., Wpływ sztywności kontaktowej kół jezdnych na drgania ustroju nośnego suwnicy pomostowej, Transport Przemysłowy 2006, nr Grabowski E., Ograniczenia zukosowania suwnic, Transport Przemysłowy 2001, nr Grabowski E., Współczesna technika ograniczania zukosowania suwnic, Transport Przemysłowy 2001, nr 3 6. Jasiński M., Zagadnienia obliczeniowego wyznaczania obciążeń dźwignic wywołanych jazdą po nierównościach, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze 2010, nr Nowak A., Modelowanie dynamiki jazdy suwnicy pomostowej przy uwzględnieniu zjawiska odbicia, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Mechanika, z. 125, Gliwice, Norma PN-ISO :1999: Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obciążeń. Postanowienia ogólne. Wydawnictwo Normalizacyjne Norma EN :2000: Cranes. General Design Part 2: Load effects. CEN B-1050, Brussels. 839