DD260052A1

DD260052A1 - Steuerung der bewegungsvorgaenge fuer elastische, spielbehaftete fahrwerksantriebe von kranen

Info

Publication number: DD260052A1
Application number: DD30205287A
Authority: DD
Inventors: Juergen Schoener; Matthias Umbreit
Original assignee: Wismar Ing Hochschule
Priority date: 1987-04-23
Filing date: 1987-04-23
Publication date: 1988-09-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung der Bewegungsvorgaenge fuer elastische, spielbehaftete Fahrwerksantriebe von Kranen, insbesondere fuer solche, bei denen durch das Spiel im Antrieb bzw. durch die Elastizitaet des Tragwerkes unerwuenschte Schwingungsbeanspruchungen beim Anfahren und Bremsen entstehen. Eine solche Steuerung hat die Aufgabe, bei Antrieben von elastischen Krankonstruktionen bzw. bei solchen mit Spiel den Bewegungsvorgang automatisch so zu steuern, dass unerwuenschte Schwingungsbeanspruchungen vom Tragwerk und Antrieb ferngehalten werden. Der Vorteil der erfindungsgemaessen Loesung besteht darin, dass durch die Beanspruchungsreduzierung Stillstandzeiten der Krane infolge Zerstoerung von Baugruppen der Antriebe oder des Tragwerkes durch Ueberbeanspruchung gesenkt und dass Beruhigungszeiten des Fahrwerkes am Zielpunkt vermindert werden. Die Steuerung ist so ausgelegt, dass unterlagerte Drehmomente - und Geschwindigkeitsregelkreise eingesetzt werden und dass durch einen Antriebsrechner die zur Realisierung des Bewegungsablaufes erforderlichen Sollfunktionen bereitgestellt werden. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung der Bewegungsvorgänge für Fahrwerksantriebe von Kranen, insbesondere für solche, bei denen durch das Spiel im Antrieb bzw. durch die Elastizität des Tragwerkes unerwünschte Schwingungsbeanspruchungen beim Anfahren und Bremsen entstehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Anordnungen bekannt, die in speziellen Fällen eine Reduzierung der Beanspruchung von Kranbauteilen bei gleichzeitiger Positionierung ermöglichen.

Durch Anordnung eines Rechners zur Steuerung der Katzbewegung bei einem Portalkran ist es möglich, bei Erfassung der Biegebeschleunigung der Stützen die Biegebeanspruchung in den Stützen zu reduzieren (DE-OS 3005461). Nachteilig ist, daß die Auswirkung der Steuerung des Motorstromes auf eventuelles Spiel im Antrieb unberücksichtigt bleibt, so daß im Anfahrbereich Überbeanspruchungen des Antriebes möglich sind. Außerdem ist die notwendige Messung der Biegebeschleunigung mit zusätzlichen technischen Aufwendungen verbunden. Es werden nur die Katzfahrt und der Hub betrachtet, nicht das Portal. Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch Vorgabe eines Geschwindigkeitssollwertes einer kosinusförmigen Beschleunigung erreichtwird(C. Poppenhusen: Antriebe für die Fördertechnik—neue Anforderungen führen zu neuen Leistungen; in Deutsche Hebe- und Fördertechnik, H. 41984, S. 56-60). Von Nachteil ist, wenn der Antrieb im Anfahrbereich ein Spiel z. B. in der Kupplung oder im Getriebe durchlaufen muß, weil dies zu Schwingungen der in der Kraftübertragung angeordneten Drehmassen führen kann. Das vom Motor abgebene Drehmoment wird dadurch ebenfalls zu Schwingungen angeregt, wenn die Durchschnittsfrequenz vorgelagerter Regelungen größer als die jeweilige Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssyslems ist. Die Drehmomentenbeanspruchung im Antrieb kann dadurch ein Mehrfaches des kinetostatischen Drehmomentes erreichen.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem die Masse sinusförmig beschleunigt wird (R. Schönfeld: Regelung elektrischer Antriebe mit Mikrorechnerreglern, in Elektric H. 10 1981, S.508-512).

Das setzt voraus, daß das Antriebssystem zur Zeit t = 0 dem Maximum des Ruckes ausgesetzt ist. Der Nachteil besteht darin, daß Überbeanspruchungen auftreten können, wenn der Antrieb im Anfahrbereich ein Spiel durchlaufen muß.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, eine Steuerung des Bewegungsablaufes für Krane mit spielbehaftetem Fahrwerksantrieb zu schaffen, die die Beruhigungszeit des Systems verringert und gleichzeitig eine Senkung der Beanspruchung derTriebwerksbauteile sowie des Tragwerkes ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es besteht die Aufgabe, eine Steuerung der Bewegungsvorgänge für elastische, spielbehaftete Fahrwerksantriebe von Kranen zu entwickeln, die ein automatisches Anfahren eines Zielpunktes ermöglicht, wobei das gesamte Antriebssystem einem Minimum an mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Die Antriebsstruktur soll so ausgeführt sein, daß unterlagerte Drehmoment- und Geschwindigkeitsregelkreise eingesetz werden, die in der Lage sind, auftretende Staugrößen wie Windlast oder schwankendes Fahrwiderstandsmoment schnell auszuregeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Antriebsrechner einen weg- und zeitabhängigen Analogwert als Führungsgröße auf den Geschwindigkeits- oder Momentenregelkreis gibt. Dabei wird zunächst für eine vom im Antrieb vorhandenen Winkelspiel abhängige Zeitdauer eines Drehmomentensollwertes vorgegeben, der kleiner als das zur Bewegung des Fahrwerkes erforderliche Losbrechmoment und gerade so groß wie das zur Bewegung der durch das Spiel entkoppelten Massen notwendige Drehmoment ist. Nach dieser Zeit gibt der Antriebsrechner eine Fahrkurve als Führungsgröße auf den Geschwindigkeitsregelkreis. Die Fahrkurve ist so ausgelegt, daß die Schwingungsbeanspruchung des Antriebssystems während des Anfahr- und Bremsvorganges ein Minimum wird. Der Kurvenverlauf ist abhängig von der jeweils größten Eigenschwingdauer des mechanischen Schwingungssystems, von der maximalen Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie vom zurückzulegenden Weg. Der Antriebsrechner benutzt während des Fahrvorganges mehrere Umschaltpunkte, da entsprechend dem jeweiligen Bewegungszustand verschiedene Gleichungen für die Sollfunktion gelten. Kurz vor Erreichen der Zielposition gibt der Antriebsrechner einen Geschwindigkeitssollwert vor, der der Schleichgeschwindigkeit entspricht. Beim Erreichen der Zielposition wird der Geschwindigkeitssollwert Null.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß eine beanspruchungssenkende Fahrweise erfolgt, ohne daß die Messung von Biegebeschleunigungen, Wellenverdrehungen oder dafür repräsentativer Größen notwendig ist. Voraussetzung zur Bestimmung der Sollfunktionen ist lediglich die Kenntnis der systemimmanenten Zeitkonstanten. Konstruktive Veränderungen des Tragwerkes oder des Antriebes sind nicht erforderlich.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 Skizze eines längs einer Schiene bewegbaren Portalkranes mit einer oben befindlichen Last Fig. 2 Ein Signalflußbild der Steuerung an einem mechanischen Schwingungssystem bestehend aus drei Drehmassen und

Koppelelementen Fig. 3 Verschiedene zeitliche Verläufe von Bewegungsgrößen

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel dient der Fahrantrieb eines Containerportalkranes gemäß Fig. 1, dessen Last während der Portalfahrt eingezogen ist. Das Antriebssystem wird durch eine strom- und drehzahlgeregelte fremderregte Gleichstrom-Nebenschlußmaschine bewegt (andere Ausführungsbeispiele sind möglich).

Gemäß Fig. 2 ist der Ausgang für die Drehzahlsollwertspannung U_nSoii (repräsentiert Geschwindigkeitssollwert) eines Antriebsrechners 1 auf einen Eingang eines Drehzahlreglers 2 und der Ausgang für die Stromsollwertspannung U;_son (repräsentiert Drehmomentensollwert) auf einen Eingang eines Ankerstromregelkreises 3 geschaltet, auf dem nach dem Prinzip der unteriagerten Stromregelung auch der Ausgang des Drehzahlreglers 2 geführt ist. Dieser gelangt wiederum auf einen Eingang des Antriebsrechners 1. Das mit dem Motorfeld 4 gebildete Luftspaltmoment mn arbeitet nunmehr auf das mechanische Schwingungssystem, welches mit dem Integrierglied 5 der ersten Drehmasse (die der Läufermasse des Motors zugeordneten Massen) die Winkelgeschwindigkeit ω_Ί bildet, die über den Tachogenerator 6 auf den zweiten Eingang des Drehzahlreglers geschaltet ist. Durch das Integrierglied 7 wird der Verdrehwinkel cp₁₂ gebildet, der auf das spielbehaftete Übertragungselement 8 arbeitet, welches das mit dem integrierglied 5 der ersten Drehmasse und mit dem Integrierglied 9 der zweiten Drehmasse in Verbindung stehen Übertragungsmoment mi2 liefert. Die zweite Drehmässe verkörpert die dem Fahrwerk zugeordneten Drehmassen, auf die das Widerstandsmoment m₂2 (z. B. Fahrwiderstandsmoment, Windlast) zusätzlich wirkt. Die Winkelgeschwindigkeit ω₂ steht mit dem Integrierglied 6 und mit dem Antriebsrechner 1 über die Wegintegration 10 und die Verstärkung 11 in Verbindung und bildet den Eingang des Übertragungselementes 12, woraus das Übertragungsmoment m₂3 gebildet wird, das nur dem Integrierglied 8 der zweiten Drehmasse in Verbindung steht und auf das Integrierglied 13 der dritten Drehmasse arbeitet. Die dritte Drehmasse verkörpert die dem Brückenträger zugeordneten Drehmassen. Auf das Integrierglied 13 der dritten Drehmasse wirkt zusätzlich das Widerstandsmoment m₃₃ (Windlast) und am Ausgang entsteht die Winkelgeschwindigkeit ω₃, das mit dem Übertragungselement 9 in Verbindung steht. Die Blöcke 5,7,8, 9,12,13 stellen in ihrer Gesamtheit das Modell eines 3-Massen-Schwingungssystems dar.

Die Wirkungsweise der Steuerung ist folgende:

Zu Beginn des Anfahrvorganges legt der Antriebsrechner 1 den Ausgang des Drehzahlreglers 2 zunächst auf elektrisches Massepotential. Gleichzeitig Wird ein Stromsollwert vorgegeben, der ein konstantes Luftspaltmoment mn erzeugt, welches gleich dem Drehmoment mi ist (Fig.3). Das Drehmoment m^ muß kleiner als das zur Bewegung des Fahrwerkes erforderliche Losbrechmoment und gerade so groß wie das zur Bewegung der durch das Spiel entkoppelten ersten Drehmasse notwendige Drehmoment sein. Die Zeitkonstante Ti ergibt sich aus

1 f tru - ₍₁₎

Das auf diese Weise eingeleitete Luftspaltmoment In₁₁ bewirkt, daß für die Zeitdauer T-i die erste Drehmasse nur sehr schwach beschleunigt wird, woraus folgt, daß auch das dynamische Übertragungsmoment m₁₂ nach Durchlaufen des spielbehafteten Übertragungselementes 8 gering ist. Ein Schwingen des Luftspaltmomentes m_t1 im Zusammenhang mit der vorgelagerten Drehzahlregelung wird unterdrückt, da nur der Stromsollwert durch den Antriebsrechner 1 gesteuert wird und der Drehzahlreglerausgang auf elektrischem Massepotential liegt. Nach der Zeit T₁ ist das Winkelspiel cp_sp überwunden und die elektrische Masseverbindung des Drehzahlreglerausganges sowie die Vorgabe desStromsollwertesdurch den Antriebsrechner 1 wird aufgehoben. Der Antriebsrechner 1 gibt nunmehr einen Drehzahlsollwert vor, der die Geschwindigkeits-Sollwertkurve 14 (Fig.2) repräsentiert. Die Zeitkonstanten ergeben sich aus:

T₂ = yT_max(n = 1,3,5...) _/ (2)

wobei Tmax die jeweils größte Eigenschwingdauer des Mehrmassen-Schwingsystems darstellt.

V₄

Die Wahl des in Fig. 3 dargestellten Beschleunigungs- bzw. Ruckverlaufes erlaubt es, in einem sehr weiten Bereich den Erfordernissen des praktischen Betriebes entsprechend die Höchstgeschwindigkeit V₄ durch Variation der Zeitkonstanten T₃ zu beeinflussen, ohne dadurch die mechanischen Beanspruchungen zu verändern. Die durch den Antriebsrechner 1 auszugebenden Drehzahlsollwertfunktionen ergeben sich aus dem Geschwindigkeitssollwert und müssen entsprechend dem " Übersetzungsverhältnis umgerechnet werden. Der Geschwindigkeitssollwert ergibt sich kurz

— ^π m\

T₂

a_m„ ι V₁ = (t sincüRt) fürT₁ <t< (T₁+T₂) (6)

2 COd

für (T₁ + T₂X t < (T₁ + T₂ + T₃)

v₃ = -^L(t + T₃-T₂- — sin cur (t-T₃+ T₂)) (8)

2 cur

für (T₁ + T₃) < t < (T₁ + T₃ + T₂)

V₄ = a_max -T₃ · (9)

für (T₁ + T₃ + T₂) <t< (T₁+T₄)

V₅ = --^r²-(t - 2T₃ - T₄ sincu_B(t-T₄)) (10)

2 GJr

für (T₁ + T₄) < t < (T₁ + T₄ + T₂) V₆ =-a_max (t --^-- T₃ - T₄) (11)

für (T₁ + T₄ + T₂X t < (T₂ + T₄ + T₃) V₇ = __!^i.(t -T₂-T₃-T₄ sinco_R(t + T₂-T₃- T₄)) (12)

2 COr

fürT-, + T₄ + T₃ < t < T₁ + T₂ + T₃ + T₄ - T₀

Die Vorgabe des Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsollwertes nach (12) wird abgebrochen, wenn die kleinste durch den Antrieb realisierbare Geschwindigkeit (Schleichgeschwindigkeit) erreicht ist (t = T₁ + T₂ + T₃ + T₄ — T₀), die bis zum Einfahren in die Zielposition s_z als Sollwert abgegeben wird. Die Einteilung des Schleichvorganges erfolgt also wegabhängig, so daß die Zeit T₀ nicht ermittelt werden muß. Ebenso kann der Beginn des Bremsvorganges mit

Sbr = S₀ --^p- T₃ (T₂ -T₃) (13)

wegabhängig erfolgen.

Werden die in (6) bis (12) beschriebenen Sollfunktionen in Form eines Drehzahlsollwertes auf den Drehzahlregler 2 geschaltet, so ergibt sich das Zeitverhalten der Geschwindigkeit ν nach 14, des Luftspaltmomentes m„ nach 15, des Ruckes r nach 16, der Beschleunigung a nach 17 und des Weges s nach 18 (Fig.3). Im Luftspaltmoment m-u treten entsprechend den Widerstandsmomenten m₂₂ und m₃₃ Schwankungen auf, die darauf hinweisen, daß Störungen des Eingangs beschriebenen Art geregelt werden.

Claims

1. Steuerung der Bewegungsvorgänge für elastische, spielbehaftete Fahrweksantriebe von Kranen, insbesondere für solche, die mit üblichen Drehmoment- bzw. Stromregeluhgen sowie Drehzahlregelungen ausgerüstet sind und bei denen sich aufgrund der elastischen Konstruktion des Antriebes und des Kranaufbaues ein spielbehaftetes Mehrmassenschwingungssystem ergibt, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang für die Drehzahlsollwertspannung U_{n so}n eines Antriebsrechners (1) auf einen Eingang des Drehzahlreglers (2) und der Ausgang für die Stromsollwertspannung Ui _son auf einen Eingang eines Ankerstromregelkreises (3) geschaltet ist, auf dem nach dem Prinzip der unterlagerten Stromregelung auch der Ausgang des Drehzahlreglers(2) geführt ist, welcher wiederum auf einen Eingang des Antriebsrechners (1) gelangt und dort bei Bedarf auf elektrisches Massepotential gelegt werden kann, wobei dem Antriebsrechner (1) über je einen weiteren Eingang die Weg-Zeitkoordinate s_z und die Weg-Istkoordinate s zugeführt wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalverlauf einem dem Antriebssystem in der Weise angepaßt ist, daß unerwünschte Beruhigungszeiten und dynamische Beanspruchungen dadurch vermieden bzw. vermindert werden, daß nach Gleichung 2 die Anregungszeitdauer (T₂) und die Eigenschwingungsdauer (T_max) des mechanischen Systems in einem festen Verhältnis zueinander stehen.

3. Steuerung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zu Beginn eines Anfahrvorganges derAntriebsrechner(i) für die Zeitdauer (T₁) einen Drehmomentsollwert bzw. einen Stromsollwert auf den Drehmomentregelkreis bzw. Stromregelkreis abgibt, der ein konstantes Luftspaltmoment(m-i) bewirkt, welches kleiner als das zur Bewegung des Fahrwerkes erforderliche Losbrechmoment und gerade so groß wie das zur Bewegung der durch das Spiel entkoppelten ersten Drehmasse des Mechanischen Schwingungssystems ist und daß im weiteren Verlauf der Antriebsrechner (1) einen Geschwindigkeits-bzw. Drehzahlsollwert auf einen Eingang des Drehzahlgebers (2) schaltet, dessen Signalverlauf der aus mehreren Telefunktionen zusammengesetzten Geschwindigkeits-Sollwertkurve (14) entspricht.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen.