Damping of oscillations of load lifted by handling equipment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This work is aimed at improving the performance of various handling equipment by optimizing the transportation cycle, e.g., decreasing the time of acceleration and deceleration by damping load oscillations, increasing the steady-state motion speed, and decreasing the time of pauses. The object of modeling is an overhead crane with a capacity of 15 ton, a stroke of 15 m, and three degrees of freedom. A Lagrange equation of the first kind as a non-linear heterogeneous system was used. A mathematical analysis of the damping process was carried out by energy balance modeling. As a result, the optimal amplitude and frequency of damping impulses required to change the suspension length within 5% were obtained. These impulses have a maximum frequency of three oscillations per second and are supplied in a reversed phase to load oscillations. According to calculations, energy costs for damping load oscillations are below 3–4% of the lifting motor power. It is shown how damping is implemented in manual control, and coefficients are calculated to define the amplitude of changes in the load and arm suspension length. The ranges of changes in these coefficients comprise 0.85–0.9 and 1.1–1.15 for setting the amplitude and frequency of damping impulses when using an automatic system. On this basis, a load oscillation damping system for a moving overhead crane is developed. Options are proposed for the damping system: by an operator or an automatic control system. The mathematical model of a crane is suitable for studying various types of equipment. Due its high efficiency and relatively low cost, the proposed method of damping is recommended when designing new equipment or improving the existing equipment.

About the authors

N. V. Fedoreshchenko

Irkutsk National Research Technical University

Email: n-fed38@mail.ru

References

  1. Герасимяк Р.П., Лещёв В.А. Анализ и синтез крановых электромеханических систем. Одесса: СМИЛ, 2008. 192 с.
  2. Смехов А.А., Ерофеев Н.И. Оптимальное управление подъемно-транспортными машинами. М.: Машиностроение, 1975. 293 с.
  3. Федорещенко Н.В. Управление колебаниями подъемно-транспортных механизмов // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвузовский сборник. Красноярск: КрПИ, 1992. С. 53–57.
  4. Болотова В.А., Федорещенко Н.В., Машукова Н.И. Проектирование актуаторов для систем позиционирования // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 т. (г. Иркутск, 21–25 апреля 2015 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2015. Т. 1. С. 159–162.
  5. Ишматов З.Ш., Бахматов С.А. Электропривод крановых механизмов перемещения с функцией предотвращения раскачивания груза // Электроприводы переменного тока: тр. XVII Междунар. науч.-техн. конф. (г. Екатеринбург, 26–30 марта 2018 г.). Екатеринбург, 2018. С. 53–57.
  6. Enin S.S., Omelchenko E.Y., Fomin N.V., Beliy A.V. Overhead crane computer model // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018. Vol. 327. Iss. 2. https://doi.org/10.1088/1757-899X/327/2/022028.
  7. Enin S.S., Omelchenko E.Y., Beliy A.V. Crane antisway control system with sway angle feedback // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2018. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2018.8728750.
  8. Enin S., Omelchenko E., Maksimov I. Crane anti-sway control system algorithm // IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (Magnitogorsk, 4–5 October 2019). Magnitogorsk: IEEE, 2019. P. 54–58. https://doi.org/10.1109/PEAMI.2019.8915227.
  9. Ловчаков В.И. Необходимые условия максимального быстродействия линейных динамических систем // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18. № 6. С. 378–382. https://doi.org/10.17587/mau.18.376-382.
  10. Даньшина А.А., Пятибратов Г.Я. Многофакторный выбор электромеханического модуля для сбалансированного манипулятора // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2016. Т. 16. № 3. С. 23–31. https://doi.org/10.14529/power160303.
  11. Khizhniakov Yu.N., Yuzhakov A.A., Bezukladnikov I.I., Trushnikov D.N. Adaptive fuzzy control of tracking electromechanical systems // Russian Electrical Engineering. 2018. Vol. 89. Iss. 11. Р. 648–651.
  12. Bogdanov D.Yu., Pyatibratov G.Ya., Bekin A.B. System Implementation of Speed Restriction While Developing the Force Compensation Systems // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. P. 1032–1040. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.210.
  13. Прокопьев А.В., Федорещенко Н.В. Упругие колебания промышленных электроприводов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Иркутск, 28–30 апреля 2016 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2016. С. 123–127.
  14. Pyatibratov G.Y., Bogdanov D.Y., Bekin A.B. Retrofit simulator to train cosmonauts for working in non-gravity and reduced gravity environment // Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 42–50. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.006.
  15. Щербаков В.С., Корытов М.С., Шершнева Е.О. Активный способ гашения колебаний груза после остановки мостового крана // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17. № 6. С. 368–374.
  16. Нуриахметов Р.М., Новиков В.А. Системы управления движением подъемно-транспортных машин с реализацией способов предотвращения раскачивания груза // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». 2016. № 1. С. 42–44.
  17. Корытов М.С., Щербаков В.С. Оценка точности суперпозиции плоских моделей мостового крана при моделировании гашения пространственных колебаний груза // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2018. Т. 15. № 1. С. 29–36. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2018-1-29-36.
  18. Федорещенко Н.В. Оптимизация радиуса приведения механизма актуатора для точного позиционирования в автоматическом производстве // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т. 23. № 6. С. 1116–1125. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-6-1116-1125.
  19. Лещёв В.А. Параметрическое управление гашением колебаний подвешенного на кране груза // Электрические и компьютерные системы. 2011. № 4. С. 39–41.
  20. Шмарловский А.С. Эффективные алгоритмы управления подъемно-транспортными механизмами // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. 2011. № 5. С. 26–34.
  21. Марков А.В., Подковырова А.А., Хаджинов М.К., Шведова О.А. Анализ колебаний троса и способов их подавления для грузоподъемных механизмов // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. 2014. № 7. С. 83–89.
  22. Капица П.Л. Маятник с вибрирующим подвесом // Успехи физических наук. 1951. № 44. Вып. 1. С. 7–20.
  23. Федорещенко Н.В. Модернизация промышленных электроприводов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 т. (г. Иркутск, 18 февраля 2017 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2017. Т. 1. С. 117–119.
  24. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Сурков В.В. Нелинейные системы управления электроприводами и их аналитическое конструирование: монография. Тула: ТулГУ, 1999. 180 с.
  25. Abdel-Rahman E.M., Nayfeh A.H, Masoud Z.N. Dynamics and control of cranes: a review // Journal of Vibration and Control. 2003. Vol. 9. Iss. 7. Р. 863–908. https://doi.org/10.1177/1077546303009007007.
  26. Cekus D., Depta F., Kubanek M., Kuczyński Ł, Kwiatoń P. Event visualization and trajectory tracking of the load carried by rotary crane // Sensors. 2022. Vol. 22. Iss. 2. Р. 480. https://doi.org/10.3390/s22020480.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).