2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2021.1.13 pmi-13358 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/13358 Электромеханика и машиностроение Electromechanics and mechanical engineering Study of drive currents for lifting bridge cranes of metallurgical enterprises for early diagnosis of load excess weight Исследование токов привода подъема мостовых кранов металлургических предприятий для раннего диагностирования превышения массы груза Semykina Irina Yu. Семыкина И. Ю. Semykina Irina Yu. arinasemykina@gmail.com 0000-0001-6874-1735 Севастопольский государственный университет (Севастополь, Россия) Sevastopol State University (Sevastopol, Russia) Kipervasser Mikhail V. Кипервассер М. В. Kipervasser Mikhail V. kipervasser2012@yandex.ru 0000-0002-3529-2694 Сибирский государственный индустриальный университет (Новокузнецк, Россия) Siberian State Industrial University (Novokuznetsk, Russia) Gerasimuk Alexander V. Герасимук А. В. Gerasimuk Alexander V. heavymetdl7200@gmail.com 0000-0001-6223-4257 АО «Сибирский Тяжпромэлектропроект» (Новокузнецк, Россия) Joint Stock Company “Siberian Tyazhpromelektroprojekt” (Novokuznetsk, Russia) 26 04 2021 2021 247 122 131 16 05 2020 02 03 2021 26 04 2021 © 2021 И. Ю. Семыкина, М. В. Кипервассер, А. В. Герасимук © 2021 Irina Yu. Semykina, Mikhail V. Kipervasser, Alexander V. Gerasimuk 2021 И. Ю. Семыкина, М. В. Кипервассер, А. В. Герасимук Irina Yu. Semykina, Mikhail V. Kipervasser, Alexander V. Gerasimuk Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/13358

В статье рассматривается основанный на анализе токов приводного электродвигателя подход к созданию дополнительного средства защиты от аварийных ситуаций при эксплуатации мостовых кранов, связанных с подъемом груза массой, превышающей допустимую. Описана математическая модель привода мостового крана, а также результаты компьютерного моделирования. Показано, что в процессе подъема до начала этапа отрыва груза ток статора приводного электродвигателя от массы груза не зависит, но при отрыве груза уже за единицы периодов сетевого напряжения после натяжения каната при превышении массы груза фиксируется поддающееся измерению превышение амплитудного значения тока. Данная закономерность подтверждена для ряда кранов различной грузоподъемности, применяемых на металлургических предприятиях. Продемонстрирована возможность диагностирования превышения массы поднимаемого груза с более высоким быстродействием, чем у существующих механических способов контроля перегрузки, при этом не требуется вносить изменения в конструктивные элементы мостовых кранов.

The article discusses an approach based on the analysis of the drive motor currents to create an additional means of protection against emergency situations during the operation of bridge cranes associated with lifting a load with a mass exceeding the permissible one. A mathematical model of an overhead crane drive is described, as well as the results of computer simulation. It is shown that in the process of lifting up, before the stage of lifting the load, the stator current of the drive electric motor does not depend of the load mass, but when the load is detached, already for several periods of the mains voltage after the rope is pulled, when the mass of the load is exceeded, a measurable excess of the amplitude value of the current is recorded. This pattern has been confirmed for a number of cranes of various lifting capacities used at metallurgical enterprises. The possibility of diagnosing excess weight of the lifted load with a higher speed than existing mechanical methods of overload control is demonstrated, at the same time it is not required to make changes to the structural elements of overhead cranes.

 Ключевые слова привод мостового крана трехмассовая механическая система асинхронный двигатель динамическая модель в дискретной форме этап отрыва груза амплитуда тока статора Keywords overhead crane drive three-mass mechanical system asynchronous motor dynamic model in discrete form cargo separation stage stator current amplitude Афанасьев А.С. Методика диагностирования дизелей по временным параметрам рабочего цикла / А.С.Афанасьев, А.А.Третьякова // Записки Горного института. 2015. Т. 214. С. 51-56. Afanasev A.S., Tret'yakova A. A. Method of diagnostics of diesel engines in timing of the operating cycle. Journal of Mining Institute. 2015. Vol. 214, p. 51-56 (in Russian). Визуальное моделирование двухбалочного мостового крана как сложной динамической системы / Л.Н.Ахтулова, А.Л.Ахтулов, О.М.Кирасиров, В.А.Машонский // Омский научный вестник. 2014. № 1(127). С. 147-152. Akhtulova L.N., Akhtulov A.L., Kirasirov O.M., Mashonskii V.A. Visual modeling of a double-girder overhead crane as a complex dynamic system. Omskii nauchnyi vestnik. 2014. N 1(127), p. 147-152 (in Russian). Голдобина Л.А. Обеспечение безопасности строительно-монтажных работ при возведении зданий и сооружений / Л.А.Голдобина, П.А.Деменков, О.В.Трушко // Записки Горного института. 2019. Т. 239. С. 583-595. DOI: 10.31897/pmi.2019.5.583 Goldobina L.A., Demenkov P.A., Trushko O.V. Ensuring the Safety of Construction Works During the Erection of Buildings and Structures. Journal of Mining Institute. 2019. Vol 239, p. 583-595. DOI: 10.31897/pmi.2019.5.583 Ещин Е.К. Расчеты динамических режимов работы электроприводов самоходных горных машин // Записки Горного института. 2018. Т. 233. С. 534-538. DOI: 10.31897/pmi.2018.5.534 Eshchin E.K. Calculations of dynamic operating modes of electric drives of self-propelled mining machines. Journal of Mining Institute. 2018. Vol 233. p. 534-538. DOI: 10.31897/pmi.2018.5.534 Оценка рисков потенциально опасных металлургических объектов за пределами гарантийных сроков эксплуатации в менеджменте качества промышленного предприятия / Ю.А.Извеков, Е.М.Гугина, А.Л.Анисимов, В.В.Шеметова // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 11 (Ч. 2). C. 179-182. Izvekov Yu.A., Gugina E.M., Anisimov A.L., Shemetova V.V. Risk assessment of potentially dangerous metallurgical objects outside the warranty service life in quality management of the industrial enterprise. Modern high technologies. 2018. N 11 (Part 2), p. 179-182 (in Russian). Патент № 2144901 РФ. Устройство для измерения и ограничения грузоподъемности лебедки / Г.Г.Платонов, А.В.Кудрявцев, С.Н.Сологубов. Опубл. 27.01.2000. Бюлл. № 3. Platonov G.G., Kudryavtsev A.V., Sologubov S.N. Patent № 2144901 RF. Device for measuring and limiting the lifting ca-pacity of the winch. Publ. 27.01.2000. Bul. N 3 (in Russian). Патент № 2381984 РФ. Устройство для определения веса груза мостового крана / Х.М.Кадыров. Опубл. 20.02.2010. Бюлл. № 5. Kadyrov Kh.M. Patent № 2381984 RF. Device for determining the weight of the load of an overhead crane. Publ. 20.02.2010. Bul. N 5 (in Russian). Патент № 2464220 РФ. Тензометрическая ось для измерения нагрузки на крюке грузоподъемного крана / В.А.Потапов, Ю.Ф.Тимин, М.В.Корников. Опубл. 20.10.2012. Бюлл. № 29. Potapov V.A., Timin Yu.F., Kornikov M.V. Patent № 2464220 RF. Strain gauge axle for measuring the load on the hook of a crane. Publ. 20.10.2012. Bul. N 29 (in Russian). Патент № 2483016 РФ. Ограничитель нагрузки мостового крана / В.А.Коровин, К.В.Коровин. Опубл. 27.05.2013. Бюлл. № 15. Korovin V.A., Korovin K.V. Patent № 2483016 RF. Overhead crane load limiter. Publ. 27.05.2013. Bul. N 15 (in Russian). Полищук В.И. Развитие теории построения систем диагностики синхронных машин: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. Самара: Cамарский государственный технический университет, 2016. 36 с. Polishchuk V.I. Development of the theory of constructing diagnostic systems for synchronous machines: Avtoref. dis. … d-ra tekhn. nauk. Samara: Camarskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2016, p. 36 (in Russian). Савельев А.Н. Диагностика аварийных режимов ленточных транспортеров в горно-металлургической промышленности / А.Н.Савельев, М.В.Кипервассер, Д.С.Аниканов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 12. C. 906-911. DOI: 10.17073/0368-0797-2015-12-906-911 Savelev A.N., Kipervasser M.V., Anikanov D.S. The assessment of power changes in motor parameters in case of emergencies in the mechanical part of belt conveyor. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Ferrous Metallurgy. 2015. Vol. 58. N 12, p. 906-911. DOI: 10.17073/0368-0797-2015-12-906-911 (in Russian). Сафин Н.Р. Диагностика неисправностей вентиляторных установок с помощью спектрального анализа токов статора / Н.Р.Сафин, В.А.Прахт, В.А.Дмитриевский // Энергобезопасность и энергосбережение. 2016. № 4. C. 37-42. DOI: 10.18635/2071-2219-2016-4-37-42 Safin N.R., Prakht V.A., Dmitrievskii V.A. Fault diagnosis of fan units using spectral analysis of stator currents. Energobezopasnost i energosberezhenie. 2016. N 4, p. 37-42. DOI: 10.18635/2071-2219-2016-4-37-42 (in Russian). Семыкина И.Ю. Исследование переходного процесса в цепи тока при дефекте мультипликатора турбокомпрессора и разработка структурной схемы системы обнаружения дефекта мультипликатора / И.Ю.Семыкина, М.В.Кипервассер, А.В.Герасимук // Вестник Чувашского университета. 2017. № 3. С. 138-144. Semykina I., Kipervasser M., Gerasimuk A. Study of the transient process in the circuit in case of turbocompressor multiplier defect and development of system structural scheme to discover multiplier defect. Vestnik Chuvashskogo Universiteta. 2017. N 3, p. 138-144 (in Russian). Турышева Е.С. Совершенствование процесса автоматической защиты гидрофицированного крана от перегрузки и опрокидывания: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2009. 18 с. Turysheva E.S. Improvement of the process of automatic protection of a hydraulic crane from overload and overturning: Avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk. Krasnoyarsk: Sibirskii federalnyi universitet, 2009, p. 18 (in Russian). Abdel-Rahman E.M. Dynamics and Control of Cranes: A Review / E.M.Abdel-Rahman, A.H.Nayfeh, Z.N.Masoud // Journal of Vibration and Control. 2003. Vol. 9(7), P. 863-908. DOI: 10.1177/1077546303009007007 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(7), p. 863-908. DOI: 10.1177/1077546303009007007 Ansari А. Mathematical Model of Asynchronous Machine in Matlab Simulink / A.Ansari, D.Deshpande // International Journal of Engineering Science and Technology. 2010. Vol. 2(5). P. 1260-1267. DOI: 10.1.1.165.5447 Ansari A., Deshpande D. Mathematical Model of Asynchronous Machine in Matlab / Simulink. International Journal of Engineering Science and Technology. 2010. Vol. 2(5), p. 1260-1267. DOI: 10.1.1.165.5447 Arya M.K. Transient Analysis of Three Phase Squirrel Cage Induction Machine using Matlab / M.K.Arya, S.Wadhwani // International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). 2009. Vol. 1. Iss. 3. P. 918-922. DOI: 10.1.1.300.1599 Arya M.K. Transient Analysis of Three Phase Squirrel Cage Induction Machine using Matlab / M.K.Arya, S.Wadhwani. In-ternational Journal of Engineering Research and Applications. 2009. Vol. 1. Iss. 3, p. 918-922. DOI: 10.1.1.300.1599 Chee-Mun Ong. Dynamic simulation of electric machinery using Matlab / Simulink. Prentice Hall PTR, 1997. 626 p. Chee-Mun Ong. Dynamic simulation of electric machinery using Matlab / Simulink. Prentice Hall PTR, 1997, p. 626. Chmurawa M. Modeling of bridge cranes for dimensioning needs of their load-carrying structures / M.Chmurawa, D.Gąska // The International Journal of Ingenium. 2005. Vol. 4. P. 409-414. Chmurawa M., Gąska D. Modeling of bridge cranes for dimensioning needs of their load-carrying structures. The Interna-tional Journal of Ingenium. 2005. Vol. 4, p. 409-414. Electric Motor Handbook / J.L.Kirtley, H.W.Beaty, N.K.Ghai, S.B.Leeb, R.H.Lyon. New York, USA: McGraw-Hill Education, 1998. 400 p. Kirtley J.L., Beaty H.W., Ghai N.K., Leeb S.B., Lyon R.H. Electric Motor Handbook. New York, USA: McGraw-Hill Ed-ucation, 1998. p. 400. Fang Y. A framework for real-time pro-active safety assistance for mobile crane lifting operations / Y.Fang, Y.K.Cho, J.Chen // Automation in Construction. 2016. Vol. 72. Part 3. P. 367-379. DOI: 10.1016/j.autcon.2016.08.025 Fang Y., Cho Y.K., Chen J. A framework for real-time pro-active safety assistance for mobile crane lifting operations. Au-tomation in Construction. 2016. Vol. 72. Part 3, p. 367-379. DOI: 10.1016/j.autcon.2016.08.025 Gąska D. Numeryczno-statystyczna metoda oceny nośności i stateczności stalowych ustrojów nośnych dźwignic: Praca doktorska. Katowice: Politechnika Śląska, 2007. 204 p. Gąska D. Numeryczno-statystyczna metoda oceny nośności i stateczności stalowych ustrojów nośnych dźwignic: Praca doktorska. Katowice: Politechnika Śląska, 2007, p. 204. Gu Liang-Yao. Research on intelligent monitoring and protection system of distributive multi-tower cranes / Gu Liang-Yao, Yang Yue, Chen Feng // International Conference on Computer Application and System Modeling, 2010, October 22-24, Taiyuan, China. IEEE, 2010. P. 540-543. DOI: 10.1109/ICCASM.2010.5623149 Gu Liang-Yao, Yang Yue, Chen Feng. Research on intelligent monitoring and protection system of distributive multi-tower cranes. International Conference on Computer Application and System Modeling, 2010, October 22-24, Taiyuan, China. IEEE, 2010, p. 540-543. DOI: 10.1109/ICCASM.2010.5623149 He Wei. Adaptive Control of a Flexible Crane System With the Boundary Output Constraint / He Wei, Shuang Zhang, Shuzhi Sam Ge // IEEE Transactions On Industrial Electronics. 2014. Vol. 61. Iss. 8. P. 4126-4133. DOI: 10.1109/TIE.2013.2288200 He Wei, Shuang Zhang, Shuzhi Sam Ge Adaptive Control of a Flexible Crane System With the Boundary Output Constraint. IEEE Transactions On Industrial Electronics. 2014. Vol. 61. Iss. 8, p. 4126-4133. DOI: 10.1109/TIE.2013.2288200 Hong K.-S. Lumped mass models of mobile cranes / K.-S.Hong, U.H. Shah // Dynamics and Control of Industrial Cranes: Advances in Industrial Control. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2019. P. 49-65. DOI: 10.1007/978-981-13-5770-1_4 Hong K.-S., Shah U.H. Lumped mass models of mobile cranes. Dynamics and Control of Industrial Cranes: Advances in Industrial Control. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2019, p. 49-65. DOI: 10.1007/978-981-13-5770-1_4 Krishnan R. Electric Motor Drives: Modelling, Analysis and Control. New Jersy, USA: Upper Saddle River, 2001. 626 p. Krishnan R. Electric Motor Drives: Modelling, Analysis and Control. New Jersy, USA: Upper Saddle River, 2001, p. 626. Matyja T. Modeling of the Lift Crane Vibration Caused by the Lifting Loads / T.Matyja, A.Sładkowski // Zdvihací Zařízení v Teorii a Praxi, 2007, April 10-11, Brno, Czech Republic. VUT Brno, 2007. P. 98-105. Matyja T., Sładkowski A. Modeling of the Lift Crane Vibration Caused by the Lifting Loads. Zdvihací Zařízení v Teorii a Praxi, 2007, April 10-11, Brno, Czech Republic. VUT Brno, 2007, p. 98-105. Messineo S. Offshore Crane Control Based on Adaptive External Models / S.Messineo, A.Serrani // Automatica. 2009. Vol. 45. Iss. 11. P. 2546-2556. DOI: 10.1016/j.automatica.2009.07.032 Messineo S., Serrani A. Offshore Crane Control Based on Adaptive External Models. Automatica. 2009. Vol. 45. Iss. 11, p. 2546-2556. DOI: 10.1016/j.automatica.2009.07.032 Parameter Imputation Methods and Typical Parameter Analysis of Load Transient Model of Induction Motor / T.Liang, N.Zhou, T.Lu, H.Wu, P.Ju // Dianli Xitong Zidonghua – Automation of Electric Power Systems. 2020. Vol. 44. № 1. P. 74-82. DOI: 10.7500/AEPS20190507002 (In Chinese). Liang T., Zhou N., Lu T., Wu H., Ju P. Parameter Imputation Methods and Typical Parameter Analysis of Load Transient Model of Induction Motor. Dianli Xitong Zidonghua – Automation of Electric Power Systems. 2020. Vol. 44. N 1, p. 74-82. DOI: 10.7500/AEPS20190507002 (In Chinese). Ren Z. A Crane Overload Protection Controller for Blade Lifting Operation Based on Model Predictive Control / Z.Ren, R.Skjetne, Z.Gao // Energies. 2019. Vol. 12(1). P. 1-22. DOI: 10.3390/en12010050 Ren Z., Skjetne R., Gao Z. A Crane Overload Protection Controller for Blade Lifting Operation Based on Model Predictive Control. Energies. 2019. Vol. 12(1), p. 1-22. DOI: 10.3390/en12010050 Ren Z. Modeling and Control of Crane Overload Protection During Marine Lifting Operation Based on Model Predictive Control / Z.Ren, R.Skjetne, Z.Gao // International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2017, June 25-30, Trondheim, Norway. ASME, 2017. Vol. 57779. 9 p. DOI: 10.1115/OMAE2017-62003 Ren Z., Skjetne R., Gao Z. Modeling and Control of Crane Overload Protection During Marine Lifting Operation Based on Model Predictive Control. International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2017, June 25-30, ASME, Trondheim, Norway. 2017. Vol. 57779, p. 9. DOI: 10.1115/OMAE2017-62003 Szpytko J. Control and Fault Diagnosis System of Crane Operation // IFAC Proceedings Volumes. 2001. Vol. 34. Iss. 17. P. 237-242. DOI: 10.1016/S1474-6670(17)33286-X Szpytko J. Control and Fault Diagnosis System of Crane Operation. IFAC Proceedings Volumes. 2001. Vol. 34. Iss. 17, p. 237-242. DOI: 10.1016/S1474-6670(17)33286-X