От синхронизации с двумя точками подвеса до подъемной системы: сравнение схем электрической и механической осей для нестандартных кранов
📌 Точность синхронизации системы синхронного подъема с двумя точками подвеса: в варианте с электрическими осями угловое отклонение составляет менее 0,1 градуса (сервошины EtherCAT/PROFINET), в варианте с механическими осями — менее 1 градуса (механические приводные валы + муфты).Электрические валы подходят для сценариев с большими расстояниями (более 15 м) и высокой скоростью синхронизации, а механические валы — для сценариев со средними и небольшими расстояниями, требующих высокой надежности. Компания «Круд Хеви Индастриз» накопила опыт проектирования систем обоих типов в рамках нестандартных проектов по транспортировке длинномерных грузов и подъему сверхгабаритных деталей. В данной статье рассматриваются три аспекта: принципы синхронизации, сравнение решений и реализация проектов.
Система синхронного подъема с двумя точками подвеса является одной из наиболее распространенных специальных конструктивных требований к нестандартным кранам; она в основном используется для перевозки длинномерных грузов (стальных труб, стальных листов, мостовых пролетов), негабаритных деталей (пресс-форм, сосудов под давлением) и в случаях совместной работы двух кареток. Когда одному крану требуется одновременно поднимать заготовку за две точки подвеса, скорость подъема в обеих точках должна быть полностью синхронизирована, иначе заготовка может наклониться, произойдет неравномерная нагрузка или даже падение. Для обеспечения синхронизации в основном используются два инженерных решения: электрическая ось и механическая ось, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения точности, стоимости, технического обслуживания и области применения. Компания «Круд Хеви Индастри» при проектировании нестандартных решений комплексно подбирает модели с учётом длины и веса заготовки, класса нагрузки и условий эксплуатации.
Принципы и конструкция схемы синхронизации электрических валов
Электронная синхронизация вала (Electronic Line Shaft) — это синхронизация положения и скорости двух или более подъемных двигателей с помощью сервомотора, энкодера и полевой шины, не требующая физического соединения через приводной вал. Сердцем системы является обмен командами положения и обратной связью по фактическому положению между сервоприводами через шину реального времени EtherCAT или PROFINET. Контуры положения и скорости каждого привода являются независимыми замкнутыми контурами, однако заданные значения синхронизируются через шину. Компания «Круд Хеви Индастриз» использует в своих проектах две стратегии синхронизации: режим «ведущий-ведомый» и режим «виртуальный ведущий вал». В режиме «ведущий-ведомый» один привод выступает в роли ведущего вала, а остальные приводы следуют за командными сигналами положения ведущего вала; в режиме «виртуальный ведущий вал» контроллер вычисляет виртуальные командные сигналы положения и распределяет их между приводами, не полагаясь на физический ведущий вал.
Ключевыми параметрами схемы с электрическим валом являются период синхронизации и колебания синхронизации. Период синхронизации шины EtherCAT может достигать 100 микросекунд, а колебания синхронизации составляют менее 1 микросекунды, благодаря чему отклонение положения между двумя двигателями можно удержать в пределах одного импульса энкодера. Например, при использовании 17-разрядного абсолютного энкодера угловое отклонение вала двигателя составляет менее 0,1 градуса. Для условий подъема тяжелых грузов такая точность достаточна для обеспечения отклонения по горизонтали заготовки менее L/1000 при синхронном подъеме с двумя точками подвеса.
Принципы и конструкция схем синхронизации механических валов
Механическая синхронизация валов означает физическое соединение выходных валов двух или более редукторов с помощью механического приводного вала (синхронизирующего вала) и муфты, что обеспечивает вращение всех подъемных барабанов с одинаковой скоростью и позволяет добиться принудительной синхронизации. Механическая синхронизация валов не требует использования коммуникационной шины и не зависит от оперативности системы электрического управления; её надёжность полностью определяется точностью обработки механических деталей и качеством сборки. В схеме механической синхронизации в качестве двигателей обычно используются асинхронные двигатели с частотным преобразователем (не сервоприводные), а редукторы соединяются с синхронизирующим валом с помощью жесткой муфты или упругой штифтовой муфты; на каждом конце синхронизирующего вала расположен выходной вал редуктора одной из электрических талей.
Ключевые моменты проектирования механической синхронной оси включают: проверку торсионной жесткости синхронной оси (угол скручивания обычно ограничивается значением не более 0,5 градуса/м), выбор муфты (упругая муфта компенсирует монтажные погрешности) и расположение опорных подшипников (одна промежуточная опора на каждые 2–3 м). Длина синхронного вала обычно не превышает 15 м; при длине свыше 15 м торсионная деформация вальной системы увеличивается, а расположение подшипников усложняется, поэтому следует отдавать предпочтение схеме с электрическими валами. Преимущество механического вала по стоимости проявляется при средних и коротких расстояниях (5–10 м), поскольку стоимость материалов для синхронного вала и муфты значительно ниже, чем стоимость двух комплектов сервоприводных систем.
Всестороннее сравнение схем с электрической и механической осями
| Критерии сравнения | Электрическая ось (синхронизация по сервошине) | Механический вал (синхронизация механического приводного вала) |
|---|---|---|
| Точность синхронизации | Отклонение угла составляет менее 0,1 градуса | Угловое отклонение менее 1 градуса (с учетом зазора между шестернями) |
| Ограничение по расстоянию | Без ограничений (длина шины 100 м и более) | Не более 15 м (при превышении этой длины наблюдается значительная крутильная деформация) |
| Сравнение затрат | Стоимость сервосистемы составляет примерно от 30% до 50% | Механические детали стоят примерно на 20%–40% дешевле |
| Требования к техническому обслуживанию | Дистанционная диагностика + настройка параметров, без необходимости механического обслуживания | Периодическое смазывание + проверка зазора в муфте + центрирование валов |
| Надежность | Система зависит от надежности коммуникационной шины; в случае обрыва связи система останавливается | Чисто механическая принудительная синхронизация, не зависящая от электрической системы |
| Сферы применения | Большой радиус действия (более 15 м), высокая точность, несколько точек подвеса (3+) | Средние и короткие расстояния, высокие требования к надежности, простота обслуживания |
| Сложность отладки | Настройка параметров сервопривода + настройка синхронизации шины — требуется помощь специалиста | Центрирование механизмов + монтаж муфт, короткий срок наладки |
| Масштабируемость | Легко расширяется до 3 и более точек подвеса — достаточно настроить программное обеспечение | Для добавления точек подвеса необходимо удлинить синхронизирующий вал, что усложняет конструкцию |
|
Точность синхронизации Угловое отклонение электрической оси не должно превышать 0,1 градуса, а механической оси — 1 градус. При подъеме длинных грузов угловое отклонение в 1 градус соответствует отклонению конца заготовки длиной 10 м примерно на 175 мм, поэтому его необходимо строго контролировать. |
Способы управления Электрические оси: шины EtherCAT/PROFINET, период синхронизации 100 микросекунд. Механические оси: принудительная механическая синхронизация, не требующая вмешательства контроллера. |
Диапазон действия Для электрических осей ограничения по расстоянию отсутствуют (длина шины — 100 м и более). Для механических осей рекомендуется расстояние менее 15 м; при расстоянии свыше 15 м крутильная деформация валовой системы выходит за пределы допустимого. |
|
Выбор типа электродвигателя Электрическая ось: сервомотор + абсолютный энкодер. Механическая ось: достаточно асинхронного двигателя с частотным преобразователем, использование сервомотора не является обязательным. |
Режимы неисправности Электрическая ось: автоматическая остановка и сигнализация при обрыве шины. Механическая ось: увеличение зазора из-за износа муфты или повреждения паза для шпонки. |
Примеры проектов Компания «Круд Хеви Индастриз» использует схему с электрическим валом для подъемных приспособлений для стальных листов на металлургических заводах (изделия длиной 18 м), а для портовой техники (короткие расстояния до 8 м) — схему с механическим валом. |
Рекомендации по выбору оборудования
Компания «Круд Хеви Индастриз» при выборе нестандартных систем синхронного подъема с двумя точками подвеса руководствуется следующими принципами: если длина заготовки превышает 15 м или количество точек подвеса составляет 3 или более, предпочтение отдается схеме с электрическим приводом; если длина заготовки составляет 5–15 м, а условия эксплуатации требуют простого технического обслуживания, предпочтение отдается механическому варианту; если длина заготовки меньше 5 м, достаточно одного электроталя в сочетании с уравновешивающей балкой, и нет необходимости в синхронном подъеме с двумя точками подвеса. Хотя первоначальные инвестиции в вариант с электрической осью выше на 30%–50%, в условиях больших расстояний и высоких требований к точности он демонстрирует более выгодное соотношение цены и качества по сравнению с вариантом с механической осью. Более подробную информацию о нестандартном проектировании кранов можно найти вПолное руководство по изготовлению нестандартных кранов на заказ。
Основой для проектирования послужили требования к синхронному проектированию подъемных механизмов, изложенные в стандарте GB/T 3811-2008 «Нормы проектирования кранов», а также стандарт связи для сервоприводных систем IEC 61800-7-201. Требования к безопасности синхронной подъемной системы предусматривают установку на каждой точке подвеса отдельного ограничителя перегрузки и концевого выключателя; в случае перегрузки или достижения предельного положения на одной из точек подвеса система должна подать звуковую и световую сигнализацию и автоматически остановить подъем. Все синхронные подъемные системы, поставляемые компанией «Круд Хэви Индастри» для нестандартных проектов, прошли типовые испытания.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Вопрос: Каковы требования к точности синхронного подъема с двумя точками подвеса?
Ответ: Точность синхронизации зависит от длины заготовки и допустимого угла наклона. Как правило, требуется, чтобы отклонение высоты подъемной точки не превышало L/1000 от длины заготовки. Например, для стальной плиты длиной 10 м допустимое отклонение составляет 10 мм, что соответствует угловому отклонению оси подъемного двигателя примерно 0,3 градуса. Схема с электрической осью (отклонение менее 0,1 градуса) полностью соответствует требованиям, а схема с механической осью (отклонение менее 1 градуса) также подходит для работы с короткими заготовками. В случаях с более высокими требованиями можно дополнительно установить лазерный дальномер для контроля горизонтальности заготовки в режиме реального времени.
Вопрос: Что делать, если оборвалась шина электрической оси?
Ответ: При проектировании системы электрических приводов с точки зрения безопасности необходимо учитывать возможность обрыва шины. В случае обрыва шины каждый привод, обнаружив превышение времени ожидания связи (обычно установлено на 50–100 мс), немедленно переходит в состояние безопасной остановки, при этом все двигатели одновременно останавливаются, а тормоза остаются зажатыми. В конструкции системы также предусмотрена резервная цепь аварийной остановки с жестким подключением. В соответствии со стандартами GB/T 3811 и IEC 61800-5-2 уровень безопасности функции безопасной остановки не должен быть ниже SIL2. Перед отгрузкой системы электрических осей компании Krude Heavy Industry проходят проверочные испытания с имитацией обрыва шины.
Вопрос: Как проверять торсионную жесткость синхронизирующего вала в механизме?
Ответ: Угол скручивания синхронного вала рассчитывается по формуле θ = T*L/(G*J), где T — передаваемый крутящий момент (Нм), L — длина вала (мм), G — модуль сдвига (для стали примерно 79,3 ГПа), J — полюсный момент инерции (мм⁴). Согласно инженерному опыту, угол скручивания должен быть меньше 0,5 градуса/м. После предварительного выбора диаметра вала с учетом передаваемого крутящего момента и прочности на скручивание необходимо проверить его усталостную прочность (с учетом пусковых ударов и чередования прямого и обратного вращения). В качестве материала для синхронного вала рекомендуется использовать закаленную и отпущенную сталь марки 45 или сталь 40Cr.
Вопрос: Можно ли переоборудовать старый кран для синхронной работы с двумя подвесными точками?
Ответ: Модернизация возможна. Сложность переоборудования старого крана на синхронную работу с двумя подвесными точками зависит от исходной электрической системы. Если исходная система оснащена частотно-регулируемым управлением и имеет интерфейс связи с ПЛК, для модернизации электрической оси достаточно заменить сервопривод на модель с шинным интерфейсом и установить энкодер, сохранив исходный электродвигатель и редуктор. Если исходная система управляется контакторами, рекомендуется полностью заменить её на систему с частотно-регулируемым приводом или сервоприводом в сочетании с шкафом управления ПЛК. Компания «Круд Хеви Индастриз» предлагает решения по модернизации старых кранов с синхронным подъёмом; срок модернизации обычно составляет 2–4 недели. Информацию о модернизации старых кранов можно найти вСхема нестандартной модернизации старых кранов。
