Пути повышения безопасности и производительности труда при погрузочно-разгрузочных и строительно-монтажных работах

Травматизм, вызываемый аварийностью строительных кранов при производстве строительно-монтажных работ, возникает вследствие отказов отдельных компонентов системы «человек – строительная машина – среда», а поэтому устранение технических неисправностей машин и механизмов, совершенствование их конструкции должно осуществляться разработкой и внедрением мероприятий по активной, пассивной и послеаварий-ной безопасности.

Активная безопасность возможна только в случае, если машина является управляемой. Автоматизированные средства управления строительных машин позволят освободить оператора от части операций по управлению машиной, тем самым повысить безопасность, производительность и качество работ. Однако автоматизация эффективна лишь тогда, когда применяются системы гашения колебаний груза. В противном случае раскачивания груза вносят неопределенность в управление краном, увеличивая энтропию системы ОСМС, и сводят к нулю эффект от автоматизации.

Известно, что все попытки добиться увеличения производительности кранов только увеличением их рабочих скоростей оканчивались снижением средней производительности крана по двум причинам: во-первых, увеличивалось время на точную остановку и успокоение колебаний груза; во-вторых, возрастало время простоев крана в результате повышения износа и отказов аппаратуры управления из-за увеличения числа включений, необходимых для гашения колебаний груза.

Проблема раскачивания груза на гибком подвесе и причины этого процес-

Пути повышения безопасности и производительности труда при погрузочно-разгрузочных и строительно-монтажных работах са в целом известны. Неустранимый колебательный процесс грузового подвеса в вертикальной и горизонтальной плоскостях влечет за собой снижение производительности крана за счет увеличения времени, необходимого на наводку и точную посадку груза, создавая при этом опасные условия труда для монтажников и стропальщиков. Раскачивание груза приводит к колебаниям металлоконструкции крана, которые вызывают вибрации кабины, оказывающие вредное и порой опасное воздействие непосредственно на оператора. Осуществляя монтажные работы в течение смены под действием низкочастотных вибраций, оператор находится в состоянии «морской качки», которому свойственны рассредоточения внимания, быстрая утомляемость, головокружение, тошнота. В таком состоянии оператор становится потенциально опасным, поскольку на нем лежит ответственность, как за собственную безопасность, так и за безопасность людей на строительной площадке. Поэтому проблема гашения колебаний груза является актуальной как в плане обеспечения сопротивления усталости металлических конструкций, так и в плане обеспечения безопасных условий труда крановщику и членам бригады.

Следует также отметить, что помимо причин, перечисленных выше и объясняющих несомненную актуальность поставленной задачи, существуют и другие, над решением которых уже долгие годы работают зарубежные и отечественные специалисты: М.П. Александров, А.А. Алейнер, В.И., Брауде, А.А. Вайн-сон, Д.П., Волков, Н.И. Григорьев, С.А. Казак, Б.Г. Коренев, В.Ф. Сиротский, Corriga Giorgio, Gina Alesscmdro, Thiemann Peter, Arend Detlef, и многие другие [1-5].

Нами теоретически обоснован и разработан на уровне изобретения одноосный силовой гиростабилизатор (рис. 1, 2), содержащий двухстепенной гироскоп с датчиком угла прецессии, выход которого через усилитель стабилизации соединен с двигателем стабилизации, последовательно соединенные акселеро- метр и усилитель коррекции, с целью повышения точности в него дополнительно введён оптимальный линейный фильтр, отличающийся тем, что для обеспечения стабилизации в двух вертикальных плоскостях ось гироскопа расположена вертикально, а массивный обод ротора гироскопа помещен в упорный горизонтальный подшипниковый узел, расположенный в вертикальной раме симметрично относительно центральной поперечной горизонтальной оси устройства, воспринимающий вертикальные нагрузки и исключающий деформации ротора и оси гироскопа и возникающие вследствие этого прецессии, влияющие на точность и скорость стабилизации объекта, а сигнал с выхода оптимального линейного фильтра и сигнал коррекции суммируются и подаются на прецессионный двигатель вертикальной рамы гироскопа, парирующий совместно с двигателем стабилизации горизонтальной рамы вынужденной прецессией возможные значительные отклонения стабилизированной платформы от горизонтального положения под действием внешних сил [6].

а)               б)             в)          г)

Рисунок 1 – Ротор гироскопа ( а ) и смещение его центра масс ( г) , вследствие упругих деформаций диафрагмы ( б ) и вала ( в )

Разработанное устройство обладает рядом существенных особенностей:

• 1.    Для обеспечения стабилизации объекта в двух вертикальных плоскостях ось гироскопа расположена вертикально;

• 2.    Массивный обод ротора помещен в упорный подшипниковый узел, исключающий деформации и оси гироскопа, а также возможные прецессии, вы-

• Л.А. Голдобина, П.С. Орлов, А.П. Орлов

• 3.    Подшипниковый узел расположен на вертикальной раме симметрично относительно центральной поперечной горизонтальной оси устройства;

• 4.    Горизонтальный подшипниковый узел воспринимает нагрузки от ротора гироскопа;

• 4.    Значительные отклонения от горизонтального положения стабилизируемой платформы парируются прецессионным двигателем вертикальной рамы совместно с двигателем стабилизации горизонтальной рамы.

  

званные деформациями и влияющие на точность стабилизации объекта;

Рисунок 2 – Одноосный силовой гиростабилизатор : 1 – гироскоп; 2 – Датчик угла прецессии вертикальной рамы гироскопа; 3 – Усилитель стабилизации; 4 – Двигатель стабилизации; 5 – Акселерометр горизонтальной рамы гироскопа; 6 – Усилитель коррекции; 7 – Двигатель стабилизации горизонтальной рамы; 8 – Оптимальный линейный фильтр; 9 – Сумматор; 10 – Вертикальная ось гироскопа; 11 – Упорный горизонтальный подшипниковый узел; 12 – Вертикальная рама; 13 – Центральная продольная горизонтальная ось; 14 – Стойки стабилизированной платформы объекта; 15 – Горизонтальная рама; 16 – Диафрагма; 17 – Центральная поперечная горизонтальная ось

В устройствах, использующих стабилизирующие свойства гироскопа, ротор вращается с большой угловой скоростью , что создает кинетический момент, необходимый для сохранения неизменного положения главной оси гироскопа в инерциальном пространстве. Угловые скорости отклонения главной оси гироскопа в инерциальном пространстве определяются значением кинетического момента гироскопа: чем больше кинетический момент J , тем меньше угловые скорости дрейфа оси гироскопа, тем выше точность работы устройства. Но одновременно с увеличением кинетического момента, растут моменты внешних возмущающих сил. Для определения требований к конструкции ротора необходимо выяснить силы, создающие возмущающие моменты относительно осей подвеса гироскопа. Для этого рассмотрим идеально сбалансированный ротор, состоящий из массивного обода и гибкого вала, соединенных между собой тонкой диафрагмой (рис. 1, а).

При равномерном движения объекта со скоростью V его ускорение равно нулю; V = 0, а центр ОР массы mP ротора совмещен с точкой О подвеса гироскопа (рис. 1, а). При ускорениях положение точек ОР и О будет нарушаться и на гироскоп начнут воздействовать моменты возмущающих сил, вызывающие отклонения его от первоначального направления. В результате ускорений вдоль осей Х и Z (Рисунок 1, б, в) возникнут силы инерции:

R X = m P V X ;

R Z = m P V Z ;                (1)

которые вызовут деформации диафрагмы и вала ротора. В результате центр ОР массы mP ротора сместится относительно точки подвеса О на расстояния X и Z. Амплитуды деформаций зависят от осевой сХ и радиальной сZ жесткостей диафрагмы и вала гироскопа, и определяется из условий равенства упругих и инерци- альных сил по координатным осям:

Хс X = m P V X ;

Zс Z = m P V Z .             (2)

В общем случае (рис. 1, г ) силы инерции R X и R Z создадут относительно оси О Y , проходящей через точку О подвеса, возмущающий момент:

М И = R X Z  R Z Х ,         (3)

который вызовет прецессию гироскопа относительно осей подвеса ротора. Угло- вая скорость прецессии вокруг верти- кальной оси подвеса Z равна:

М и _J ^и

mP "Vx'Vx ( ¹ ___ ¹ ) (4)

J       cZ  cX

Пути повышения безопасности и производительности труда при погрузочно-разгрузочных и

Равнодействующая сил инерции R X и R Z , направленная по оси О О Р будет создавать на опоры, установленные на оси Y , силовое возд ействие:

F R X ² R Z ² , (5)

создавая в подшипниках момент сил трения:

M т        R X ²   R Z ² ,      (6)

под влиянием которого у гироскопа тоже начнется прецессионное движение, угло-

вая скорость венством:

которого определяется ра-

T

М т

mр

JJ

V X ²   V Z ² , (7)

где коэффициент момента сил трения. Отсюда: для повышения характеристик гироскопического успокоителя необходимо уменьшить угловые скорости прецессионного движения

Для выяснения влияния конструктивных параметров гироскопа на произведение угловых скоростей прецессии обратимся к произведению (4) и (7):

и T

m _P V _X V _X

J

(          )х

c _Z

...X )V'X + VZ ² .

Заменив массу ротора его чим:

c _X

весом,

полу-

VX VX иT           3

g ³

G ³

_J 2    2

cX cZ

cZ cX

\ / v 2 + Vz ² •

XZ

Анализ полученного равенства показывает, что ускорения стабилизируемого объекта, ускорение силы тяжести и коэффициент момента сил трения в опорах подвеса не зависят от параметров ротора гироскопа.

Для оценки рациональности конструктивного исполнения ротора гироскопа рассмотрим произведение второго и третьего сомножителей выражения (9)

строительно-монтажных работах коэффициент К, характеризующий работоспособность конструкции:

K = G- ( G )²- cX^c Z -► 0. (10)

J      cX cZ

Исходя из значения коэффициента работоспособности К гироскопического успокоителя (10) рациональная конструкция возможна, когда кинетический момент гироскопа J       , а разность жесткостей ротора в осевом сХ и радиальном сZ направлениях (сХ   сZ)    0.

Повысить кинематический момента гироскопа можно увеличив число оборотов ротора и сосредоточив большую часть массы гироскопа в его ободе большого диаметра (поз. 1, рис. 2), разместив его на сравнительно тонкой диафрагме (16), а для исключения деформаций диафрагмы (16) и оси (10) гироскопа опреть массивный обод гироскопа (1) на упорный подшипник (11), размещенный в вертикальной раме (12) и парирующий осевые и отчасти радиальные деформации, в результате чего жесткость опор ротора в осевом с Х и радиальном с Z направлениях будет примерно одинаковой ( с Х   с Z ).