Динамические нагрузки портальных кранов при работе механизма изменения вылета и сейсмических воздействиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Ким Ен Чер Те Гынович

• Ким Ен Чер Те Гынович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ким Ен Чер Те Гынович

Введение.

1. Анализ состояния проблемы динамических расчетов кранов.

1.1. Анализ методов расчета кранов.

1.2. Содержание задач динамического анализа и синтеза.

1.3. Концепция построения моделей грузоподъемных кранов.

2. Методика определения нагрузок на элементы системы изменения вылета при проектировочном расчете.

2.1. Динамическая модель и обобщенные координаты.

2.2. Кинематические передаточные функции.

2.3. Нагрузки на элементы системы изменения вылета в виде механизма с жесткими звеньями.

3. Математическая модель кранов стрелового типа в виде механизма с упругими звеньями.

3.1. Динамическая модель кранов стрелового типа в виде механизма с упругими звеньями.

3.2. Кинетическая энергия системы.

3.3. Нагрузки на элементы системы изменения вылета в виде механизма с упругими звеньями.

3.4. Потенциальная энергия системы.

3.5. Математическая модель кранов стрелового типа в виде механизма с упругими звеньями.

3.6. Реализация математической модели на ЭВМ.

4. Определение динамических нагрузок крапов методом конечных элементов.

4.1. Обзор расчетных конечно-элементных комплексов.

4.2. Общий алгоритм расчета конечно-элементных моделей.

4.3. Процесс формирования конечно-элементной модели кранов стрелового и мостового типов.

4.4. Определение и задание нагрузок.

4.5. Расчет моделей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамические нагрузки портальных кранов при работе механизма изменения вылета и сейсмических воздействиях»

Настоящее диссертационное исследование "Динамические нагрузки портальных кранов при работе механизма изменения вылета и сейсмических нагрузках" связано с актуальной на сегодняшний день проблемой создания обобщенных математических моделей грузоподъемных машин, и исследования сейсмических воздействий с использованием конечно-элементных программных комплексов.

Современные портальные краны являются одним из основных средств механизации трудоемких погрузо-разгрузочных работ. Они применяются в портах, на судостроительных и судоремонтных заводах, на строительстве гидро - и теплоэлектростанций, а также на других объектах, связанных с перегрузкой сыпучих и тяжелых штучных грузов. Большая разновидность конструкций и основных узлов делают процесс проектирования этих кранов чрезвычайно трудоемким. Являясь неотъемлемой частью транспортно-перегрузочного потока, они оказывают существенное влияние на эффективность функционирования транспортных средств в целом.

Современное экономическое положение предприятий требуют создания конкурентоспособных машин в кратчайшие сроки, когда часто нет ни времени, ни средств на создание и испытание опытного образца в реальных условиях эксплуатации, и тем более в аварийных. Конструктор должен быть уверен, что произведенные им расчеты учитывают процессы, реально протекающие при работе кранов. Современные высокоскоростные и металлоемкие краны - достаточно дорогие и сложные объекты конструирования, в которых тщательный и полный динамический расчет позволяет вскрыть существенные резервы и одновременно избежать ошибок. Поэтому важным является разработка математических моделей кранов, их экспериментальная проверка и реализация на ЭВМ с целью получения требуемых показателей. Кроме того, надо иметь в виду, что процесс формирования модели для сложной динамической системы является трудоемкой задачей, которую каждый раз приходится решать заново, как только исследователь сталкивается с новой конструкцией. Таким образом, создание обобщенных моделей и на их основе алгоритмов, пригодных для широкого класса кранов и конструктивно - компоновочных исполнений элементов, схем подвеса груза увеличивает возможность решения практически важных задач.

Значение обобщенных моделей значительно возросло с проблемой создания систем автоматизированного проектирования грузоподъемных машин.

Современный уровень ЭВМ и программного обеспечения позволяет снять большинство ограничений, связанных с реализацией довольно сложных математических моделей; при этом на первый план выходят численные эксперименты с использованием конечно-элементных вычислительных комплексов. Процесс формирования моделей довольно трудоемок и требует знания практически всех исходных данных, но на этапе поверочных расчетов он заменяет дорогостоящие натурные исследования. Таким образом, использованием конечно-элементных моделей значительно упрощает и снижает стоимость процесса проверки полученных теоретических результатов.

Отсюда представляется целесообразным посвятить диссертационное исследование созданию методики определения нагрузок на элементы системы изменения вылета при проектировочном расчете, получению обобщенной математической модели крана стрелового типа при работе механизма изменения вылета, а также разработке методики вычислительного эксперимента по исследованию динамического воздействия на краны стрелового и мостового типа.

Цель диссертационной работы - создание методик определения нагрузок на элементы портальных кранов при проектировочном и поверочном расчетах, исследование сейсмических нагрузок для кранов стрелового и мостового типов с использованием конечно-элементных программ.

Указанная цель определила следующие основные задачи исследования:

1. Создание методики автоматизированного определения нагрузок на элементы системы изменения вылета портальных кранов при проектировочном расчете и ее проверка с использованием метода конечных элементов.

2. Создание обобщенной математической модели системы изменения вылета портальных кранов и ее реализация на ЭВМ.

3. Разработка и реализация на ЭВМ конечно-элементных моделей портальных и мостовых кранов с целью определения их сейсмостойкости.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные автором самостоятельно и обладающие научной новизной:

Методика определения нагрузок на элементы системы изменения вылета портальных кранов при проектировочном расчете.

Обобщенная математическая модель системы изменения вылета портальных кранов при работе механизма изменения вылета.

Методика вычислительного эксперимента по исследованию сейсмостойкости кранов стрелового и мостового типов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается накопленным опытом теоретических исследований и проектирования кранового оборудования, использованием апробированных в других отраслях машиностроения физических предпосылок и методов динамики механизмов, машин и конструкций, сопоставлением результатов расчета с данными, полученными с использованием конечно-элементных программных комплексов.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методики расчета и построения обобщенной математической модели портальных кранов позволяют ускорить этапы проектировочного расчета, а анализ сейсмостойкости кранов позволил установить их возможность применения в сейсмических районах.

Реализация результатов работы результаты работы использовались при проектировании третьей серии портальных кранов на АО "Подъемтрансмаш", а также министерством энергетики РФ в рамках программы "Исследование сейсмостойкости кранов мостового типа на АЭС".

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Ким Ен Чер Те Гынович

Основные результаты и выводы по работе сводятся к следующему:

1. Получены аналитические выражения для определения нагрузок на стреловую систему портальных кранов при проектировочном расчете.

2. Разработана методика автоматизированного определения нагрузок на элементы системы изменения вылета при проектировочном расчете.

3. Получены кинематические передаточные функции первого порядка для различных конструктивно-компоновочных исполнений элементов портальных кранов, что позволило реализовать концепцию составной динамической модели.

4. Проведена проверка теоретических формул на базе стержневой конечно-элементной модели. Расхождение не превышает 8%.

5. Разработана обобщенная математическая модель портальных кранов в виде механизма с упругими звеньями. Модель реализована на ЭВМ. Математическая модель пригодна для широкого класса кранов стрелового типа, легко перестраивается и позволяет провести динамический анализ (включая модальные методы) в кратчайшие сроки.

6. Результат исследования математической модели показал, что динамические нагрузки на стреловую систему не превышают значения нагрузок, полученных по теоретическим формулам для жесткой модели.

7. Разработана стержневая конечно-элементная модель портального крана.

8. Создана методика анализа сейсмических нагрузок на краны стрелового и мостового типов.

9. Исследовано поведение модели портального крана при двухкомпонентиом сейсмическом нагружении. Рассмотрено 400 расчетных точек на всей длительности сейсмограммы.

10. Получена тонкостенная конечно-элементная модель мостового крана.

Исследовано поведение данной модели при двухкомпонентиом сейсмическом нагружении. В этом случае исследовался контакт тележки с рельсом.

Возможна потеря контакта тележки и рельса при двухкомпонентиом сейсмическом нагружении без груза.

11. Длительность анализа модели мостового крана составила порядка 100 часов на ПК уровня Pentium 4; таким образом, объединение стержневой конечно-элементной модели с тонкостенной моделью может значительно увеличить производительность расчетных экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В предлагаемом диссертационном исследовании автором самостоятельно разработаны и обоснованы теоретические положения, совокупность которых можно классифицировать как новый научный результат, направленный на решение проблемы определения динамических нагрузок портальных кранов, которая имеет существенное значение для подъемно-транспортного машиностроения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ким Ен Чер Те Гынович, 2004 год

1. Аксенов Л.Б., Орлов А.Н. Синтез системы для гашения колебаний груза// Подъемно-транспортные машины: Межвуз. сб. науч. тр. / Тульск. политехи, ин-т. Тула, 1981. - С. 66 - 69.

2. Артемьев П.П., Брауде В.И., Гаранжи Н.П. Грузоподъемные машины на речном транспорте. -М.: Транпорт. 1981.-246с.

3. Балаш В.А. Повреждения устройств энергоснабжения и линий связи при Кызылкумском землетрясении 17 мая 1976г.//Сейсмостойкость транспортных сооружений, 1979. с.47-51.

4. Баранов Н.А., Серлин Л.Г. Критерии оптимальности и вопросы оптимизации стреловых устройств портальных кранов// Труды Ленингр. политехи, ин-та. 1972. - №329. - С. 55 - 61.

5. Башенные краны / Л.А. Невзоров, А.А.Зарецкий, Л.М. Болин и др. М.: Машиностроение, 1979. 1292 с.

6. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980.-408 с.

7. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях. М.: Энергоатомиздат, 1989.-304 с.

8. Блехман И.И., Мышкис А.Д., Пановко Я.Г. Механика и прикладная математика.: Логика и особенности приложений математики. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1983. - 328 с.

9. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1979. -336 с.

10. Ю.Болтянский В.Г. математические методы оптимального управления. -2-е изд.перераб. и доп. М.: Наука, 1969. - 408 с.

11. Брауде В.И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин. -Л.: Машиностроение, 1978. 232 с.

12. Брауде В.И. Надежность портальных кранов и плавучих кранов. Л.: Машиностроение., 1967. - 156 с.

13. Брауде В.И., Семенов Л.И. Надежность подъемно-транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1986. - 182 с.

14. Брауде В.И., Тер-Мхитаров М.С. Системные методы расчета грузоподъемных машин.-Л.: Машиностроение, 1985.- 181 с.

15. Брауде В.И., Тер-Мхитаров М.С. Системные методы расчета грузоподъемных машин.-Л.: Машиностроение, 1985.- 181 с.

16. Будрин С.Б., Тращенко В.Ю. Влияние параметров стреловой системы грейферных портальных кранов на период ее свободных колебаний // Известия вузов. Машиностроение. 1977. №7. - С. 87 - 90.

17. Вейц В.Л., Коловский М.З., КОчура А.Е. Динамика управляемых машинных агрегатов. М.: Наука; Главная редакция физ.-мат. лит-ры, 1984.-352 с.

18. Вейц В.Л., Кочура А.В. Динамика машинных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1976. - 383 с.

19. Вейц B.J1., Кочура А.В., Федотов А.И. Колебательные системы машинных агрегатов. JL: Изд-во ЛГУ, 1979. - 256 с.

20. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых эскаваторов. М.: Машиностроение, 1965.-464 с.

21. Галагер Р. Метод конечного элемента. Основы. М.:Мир, 1984.-484 с.

22. Гейлер Л.Б. основы электропривода. Минск.: Вышэйшая школа, 1972. -608 с.

23. Горский Б.Е. Динамическое совершенствование динамических систем. К.: Техника, 1987. - 200 с.

24. ГОСТ 25548-82. Краны грузоподъемные. Режим работы. М.: Изд-во стандартов, 1982.-4 с.

25. ГОСТ 25835-83. Краны грузоподъемные. Классификация механизмов по режимам работы. М.: Изд-во стандартов, 1983. - 5 с.

26. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1976. - 456 с.

27. Григорьев Н.И. Нагрузки кранов. М., Л.: Машиностроение, 1964. 168 с.

28. Дабагян А.В. Оптимальное проектирование машин и сложных устройств. М.: Машиностроение, 1979. - 280 с.

29. Демокритов В.Н. Оптимальное проектирование крановых мостов. -Ульяновск.: Приволжское книжное изд-во, 1978. 106 с.

30. Демокритов В.Н. Синтез оптимальных крановых мостов: Автореф. дисс.докт. техн. наук.-М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1980.-32 с.

31. Диментберг М.Ф. Нелинейные стохастические задачи механических колебаний. М.: Наука, 1980. - 368 с.

32. Динамика машин и управление машинами: Спарвочник/ В.К, Асташев, В.И. Бабицкий, И.И. Вульфсон и др.; Под ред. Г.В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1988.-288 с.

33. Ермоленко В.Н., Турбабян А.С., Юрухин Б.Н. Векторный синтез стреловых устройств портальных кранов// Исследование механизмов и металлических конструкций / Воронежский политехи, ин-т. Воронеж, 1977.-С. 3-11.

34. Ерахтин Б.М., Нельга Г.Т. О последствиях землетрясения в районе Чиркейской ГЭС// Дагестанское землетрясение 14 мая 1970г. М.: Наука, 1981. с.47-51.

35. Е.Т. Ким Обобщенная модель стреловых кранов при работе механизмов подъема и изменения вылета // Интерстроймех 2001: Труды международной научно-технической конференции, 27-29 июня 2001 года. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. с 34-37.

36. Е.Т. Ким, А.Н. Орлов Нагрузки на стреловую систему портальных кранов //Известия Тул.Г.У. Серия Подъемно-транспортные машины и оборудование Выпуск 3 изд-во Тул.Г.У. Тула, 2001. с. 45-48.

37. Е.Т. Ким, А.Н. Орлов Нагрузки на стреловую систему портальных кранов // XXX Юбилейная неделя науки СПбГПУ (IV).

38. Материалымежвузовской научной конференции 26 ноября 1 декабря 2001 года. - Санкт-Петербург, 2002. с. 60-62.

39. Жермунекий Б.И., Миеюра В.П. К синтезу уравновешивающих устройств портальных кранов методом статистических испытаний // Вестник машиностроения. 1978. - №10. - С. 38 - 43.

40. Казак С.Л. Грузоподъемные машины. Элементы статистической динамики нагружения в крановых механизмах. Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1981. - 40 с.

41. Казак С.А. Расчет прочностной надежности электромеханических систем при силовом стохастическом нагружении / Урал, политехи, инт. Свердловск, 1983. 220 с. - Деп. В ЦНИИТЭИтяжмаш, №1233тм - Т 84.

42. Казак С. А. Статистическая динамика и надежность подъемно-транспортных машин: Учебное пособие. Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1987. - 84 с.

43. Казак С.А. Статистическая динамика и надежность подъемно-транспортных машин. Свердловск: Изд-во Уральского политехи, ин-та, 1988. 88 с.

44. Казак. С.А. Расчеты динамических процессов в крановых и экскаваторных механизмах \ Урал, политехи, ин-т. Свердловск, 1978.- 208 с. Деп. в ВИНИТИ, №355.

45. Ким Е.Т., Орлов А.Н. Математическая модель систем изменения вылета и подъема стреловых кранов // Строительные и дорожные машины: Сб. науч. тр./ Под ред. А.В. Лещипского. Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2002. Вып.2. с. 31-35.

46. Кипарский Г.Р. Однозвенные стреловые устройства кранов. JL: Машиностроение, 1969. - 113 с.

47. Киррилов А.Н., Амбриашвили Ю.К. Сейсмостойкость атомных электростанций. М.:Атомэнергоиздат.-1985.-184с.

48. Коловский М.З. Динамика машин. JI.: Машиностроение, 1989. - 263 с.

49. Комаров М.С. Динамика грузоподъемных машин. 2-е изд., перераб. и доп. - М. - Киев: Машгиз, Южное отд-ние, 1962. - 267 с.

50. Комаров М.С. Динамика механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1969. 206 с.

51. Коновалов JI.B. Нагруженность, усталость, надежность металлургических машин. М.: Металлургия, 1981. - 280 с.

52. Крук Л.Д. Обобщенный анализ эксплуатационных режимов портовых грузоподъемных машин / Одесю ин-т инж. мор. флота. Одесса, 1985.- 537 с. Библиогр.: 262 назв. - Деп в В/О «Мортехинфомреклама» 03.04.85, №437 мф.

53. Ловйкин B.C. Оценка динамичности стреловых систем кранов// Подъемно-транспортное оборудование. Киев, 1984. - №15. - с. 19 -22.

54. Мисюра В.П., Штейнгарт В.Ю. К синтезу шарнирно-сочлененных укосин при автоматизированном проектировании портальных кранов// Вестник машиностроения. 1984. - №10. - С. 35 - 37.

55. Направления современного развития козловых кранов ПО «Востокоподъемтрансмаш» / Весник Г.П., Микушевич Ф.Э., Отверченко А.А. и др. // Исслед. кранов, механизмов и металлоконструкций. М., 1988. - с. 26 - 29.

56. Недоводеев В.В. Исследование эффективности перспективных типов порталов портальных кранов: Автореф. дисс.канд. техн. паук. -Л.:ЛПИ, 1982.- 16 с.

57. Нормы расчета на сейсмостойкость подъемно-транспортного оборудования атомных станций: Часть I. РД 24.03.04-89.- М.: Минтяжмаш, 1990.- 62 с.

58. Нормы расчета пространственных металлоконструкций грузоподъемных кранов атомных станций на эксплуатационные и сейсмические воздействия РД 24.090.83-87: Методические указания. -М.: Минтяжмаш, 1987.- 267 с.

59. Панасенко Н.Н. Божко С.Г. Сейсмостойкие подъемно-транспортные машины атомных станций. Краснояр. ун-та. 1987.-208с.

60. Петухов П.З., Ксюнин Г.П., Серлин Л.Г. Специальные краны. М.: Машиностроение, 1985.-248 с.

61. Пинес АЛО. Новая методика оценки технического уровня и качества ПТМ// Системы приводов. Надежность ПТМ. М.: Изд-во ВНИИПТМаш, 1984.-С. 144-148.

62. Портной Н.И. Обеспечение точности остановки механизма поворота башенного крана // Строительные и дорожные машины. 1976. №1. -С. 17-19.

63. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгедел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн.: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

64. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем М.: Машиностроение, 1976.-215 с.

65. Серлин Л.Г. Автоматизация проектирования металлических конструкций портальных кранов// Промышленный транспорт. 1988. -№3. - С. 22-23.

66. Серлин Л.Г., орлов А.Н. Оптимизация крановых конструкций и их автоматизированное проектирование: Учебное пособие. Л.: Изд-во ЛПИ им. М.И. Калинина, 1987. - 85 с.

67. Серлин Л.Г., Тращенко В.Ю. Оптимальные параметры прямых стрел с уравнительным полиспастом для портальных кранов// Труды ЛПИ им. М.И. Калинина. 1978. №362. - С. 33-38.

68. Сиротский В.Ф., Трифанов В.Н. Эксплуатация портов организация и управление: Учебник для вузов водн. трансп. М.: Транспорт. 1984. -280 с.

69. Смехов А.А., Ерофеев Н.И. Оптимальное управление подъемно-транспортными машинами. М.: Машиностроение, 1975. - 239 с.

70. Уайлд Д. Оптимальное проектирование: Пер. с англ. М.: Мир, 1981. -272 с.

71. Халмашкеев В.М. Интегральный метод оценки уровня качества грузоподъемных кранов// Проблемы развития и соверш. подъем. -транс, техн.: Всес. конф., Красноярск, 24-26 мая, 1988: Тез. докл. М.: 1988.-С. 187-188.

72. Хубка В. Теория технических систем : Пер. с нем. М.:Мир.1987. - 208 с.

73. Шеридан Т.Б., Феррал У.Р. Системы человек-машина: Модели обработки информации, управления и принятия решений человеком-оператором: Пер. с анг./ Под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1980.-400 с.

74. Шестоперов Г.С. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений из фунтовых материалов. М.: Энергоиздат, 1980.240с.

75. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windovvs.-М.:ДМК Пресс, 2001.-448с.,ил(Серия "Проектирование").

76. Яковенко В.Г.,Пойзнер М.Б. Воздействие землетрясения 1977 г. На здания и сооружения порта Рении // Транспортное строительство. 1978.№10. с. 17-19

77. Bi Hua-lin, Sun Guo-zheng, Qiao Li-nan. Multi-purpose optimum of crane jib// China Port and Waterway Eng. 1988. - 2, N1

78. Burger R. Zur Dynamik ebener Auslegersystem von Kranen unter Berucksichtigung geometrischer Nichtlinearitat, beliebiger Gelenke und starrer Elemente nach einer Finite-Element-Methode. Diss.Dok. Ing. -Technische Hochschule Darmstadt. - 1978. - 116 S.

79. Langer G. Optimierung von Doppellekersystemen // Hebezereuge und Fourdermittel. -1971. -H.5. -S.

80. Lautner H. Zur optimalen Anpassung der Lenkergeometrie des Doppelenkerwippkranes an die fordertechnishe Aufgabe: Diss Dok. -Ing.-Technishen Hochschule Darmstadt.-1988.-107S.

81. Malcher К., Nogiec Т. Uber dimensionslose Optimierung der Wippsysteme anhand von Einfachlenker Wippdrehkranen mit Seil-Flaschenzung als Seilspeicher// Pr.nauk.Inst.kcnstr.i eksploat masz. PWrocl.-1985.-N44.-S.309-322.