Моделирование процессов взаимодействия и обоснование рациональных параметров элементов системы "кран-путь" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Шевнин, Владимир Михайлович

• Шевнин, Владимир Михайлович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевнин, Владимир Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ "КРАН - ПУТЬ"

2.1. Основные допущения

2.2. Результаты натурных исследований кранов и путей

2.3. Анализ нагруженности опорных элементов

неподвижно стоящего стрелового крана

2.4. Исследования движения крана по рельсовому пути

25. Моделирование на ЭВМ движения крана по реальному

рельсовому пути

3. ЭКСПЕРИМЕНГАЛЬЮЕ ИССЛЦДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

'КРАН - ПУТЬ"

3.1. Цель и задачи экспериментальных иссщцований

3.2. Объекты испытаний, метод ы определения их состояния и параметров

3.21. Опьпнью участки крановых путей

4.2.2. Опытный вран

3.3. Статические и динамические характеристики крана

и пути

3.3.1. Измерения на кране

3.3.2 Измерения на крановом пути

3.4. Методика экспфиментальных исследований и

основные эцементы организации их проведения

3.5. Основные элементы методики обработки и анализа

экспериментальных данных

4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

4.1. Задачи и методика выполнения вычислительных

экспериментов

4.2. Результаты вычислительного эксперимента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ П1. Методика экспериментальных и<хлздований

Пршюжение П1.1. Выбор и обоснование постоянных и переменных

факторов

Приложение П1.2. План проведения эксперимента

Приложение П1.3 ГЪрядок проведения эксперимента

и его условия

ПРИЛОЖЕНИЕ П2 Результаты нивелировки кранового пути

ПРИЛОЖЕНИЕ П 3. Текст программы компьютерного

эксперимента

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов взаимодействия и обоснование рациональных параметров элементов системы "кран-путь"»

ВВЕДЕНИЕ

Кран и крановый путь, как элементы единой системы взаимодействуют друг с другом в процессе эксплуатации и взаимно влияют друг на друга. Безопасность, бесперебойность и рентабельность эксплуатации кранов существенно зависит от состояния крановых путей. Особенно чувствителен к состоянию пути кран, чей технический ресурс исчерпан или близок к этому: небольшое отклонение параметров пути от норматива может явиться той последней каплей, которая ведет к аварии, материальным и человеческим потерям.

На предприятиях горнодобывающего комплекса, подведомственных Уральскому округу Госгортехнадзора РФ, в настоящее время эксплуатируется более 3000 кранов, установленных на промышленных площадках и складах шахт, рудников, карьеров и обогатительных фабрик.

В настоящее время значительная доля кранов (порядка 60-70%), эксплуатирующихся на предприятиях Уральского округа Госгортехнадзора, исчерпало свой технический ресурс. Этот парк кранов, в свою очередь, эксплуатируется на более чем 1000 км крановых путей различных конструкций, чье техническое состояние в большинстве случаев не удовлетворяет нормативным требованиям. Натурные обследования 22 крановых путей на предприятиях только горнодобывающего комплекса Свердловской области показали, что ни один обследованный путь не удовлетворяет нормативным требованиям, причем отклонения параметров превышают допускаемые значения в 2-3 раза. Большая протяженность крановых путей предприятий, их интенсивная эксплуатация в прошлом, превращает задачу их содержания в технически исправном состоянии в сложную капитало- и материалоемкую проблему.

Материалы диссертации являются составной частью исследований, проводимых по программе Госгортехнадзора РФ по разработке

руководящей документации "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин" (№№ ГР 01.830029692, 01.86.0014638).

Идея работы. Анализ сил взаимодействия в системе "кран - рельсовый путь" путем проведения обследований крановых путей с последующим моделированием системы на ЭВМ с учетом статистически превалирующих реальных параметров путей.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка научной методики прогнозирования и расчета величин сил взаимодействия основных элементов механической системы, включающей в себя кран и крановый путь ("Кран-путь"). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить и дать анализ существующих методов исследования взаимодействия кранов и крановых путей ;

2. Разработать математическую модель системы "Кран-путь";

3. Разработать методику экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы "Кран-путь";

4. Выполнить натурные обследования элементов системы в условиях ее эксплуатации на предприятиях;

5. Выполнить компьютерный эксперимент с целью расчета величины опорной реакции в процессе эксплуатации крана на реальном и идеальном путях и выявления основных закономерностей изменения ее величины в зависимости от параметров системы.

Методы исследования. Решение поставленных задач получено на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента и использует методы динамического анализа жестких и упруго-пластических объектов, а также статистической механики.

Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна работы. К наиболее существенным новым научным положениям, выносимым на защиту, относятся: общая методика прогнозирования и расчета величины реакции в основных элементах системы "Кран-путь", включающая в себя

математическую и компьютерную модель системы; методика экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы "Кран-путь", методика и результаты вычислительного эксперимента по исследованию влияния изменения основных параметров системы на величину опорной реакции.

Достоверность научных положений диссертации подтверждается результатами экспериментальных исследований, полученных на основе статистических методов обработки данных, результатами вычислительного эксперимента на ЭВМ, планированием экспериментов, оценкой их результатов по основным статистическим критериям. Погрешность результатов эксперимента не превышала 8,0 - 8,5%.

Практическая ценность работы. Разработанная теоретическая модель системы "Кран-путь", реализованная на ЭВМ позволяет:

1) прогнозировать и рассчитывать, в зависимости от параметров состояния пути и конструктивных особенностей крана, усилия и напряжения в основных элементах системы "Кран-путь", что необходимо для уточнения методик расчета крана на стадии проектирования;

2) обосновывать нормативные параметры содержания крановых путей и кранов, величины допустимых отклонений от них без проведения сложных, трудоемких и дорогостоящих экспериментов;

3) разработать систему рационального управления элементами системы в процессе эксплуатации в зависимости от конкретных производственных и природно-климатических условий предприятия.

В целом, общая методика прогнозирования и расчета величины реакции в основных элементах системы является основой для выполнения амплитудно-частотного анализа реакции опор с целью оценки безопасности эксплуатации кранов предприятий техническими рисками.

Реализация результатов исследований. Основные результаты работы включены в состав нормативно-технической документации Госгортехнадзора РФ, находящейся в настоящее время на стадии

утверждения, в частности "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин". РД 10-138-97, часть 1. Общие положения (вторая редакция), часть 2. Методика обследования.

Апробация работы . Основные результаты диссертационной работы заслушаны и одобрены коллегией Комитета Госгортехнадзора РФ , на заседаниях кафедры ПТМ УГТУ-УПИ, кафедры сопротивления материалов и теоретической механики УГЛТА, кафедры горной механики УГГГА, научно-практических конференциях по безопасности подъемных сооружений (г. Сочи, 1997г.) и VI Уральской научно-практической конференции по метрологии (г. Екатеринбург, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи и 2 тезисов доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы (59 наименований) и 3 приложений, изложенных на 100 страницах основного текста, в том числе 22 рисунков, 8 таблиц, 36 страниц приложения.

В первой главе изучено состояние вопроса по теме диссертации, определены цель и задачи исследований.

Во второй главе приведено теоретическое исследование взаимодействия элементов системы "Кран-путь".

В третьей главе разработана оригинальная методика

экспериментальных исследований процессов взаимодействия крана и пути, включающая описание применяемых приборов и методику обработки экспериментальных данных.

В четвертой главе приведены методика и результаты вычислительного эксперимента.

Заключение подводит итоги исследования и содержит выводы по работе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проблема исследования закономерностей взаимодействия кранов с крановыми путями теоретически связана с более общей проблемой взаимодействия пути и подвижного состава на объектах железнодорожного и промышленного транспорта . Большой вклад в развитие теории взаимодействия пути и подвижного состава внесли российские и советские ученые М.Ф.Вериго, С.В.Вершинский, А.М.Годыцкий-Цвирко,

В.Н.Данилов, В.А.Лазарян, Н.П.Петров, И.И. Челноков, В.Ф.Яковлев и др. [9, 10, 11, 12, 16, 20, 34, 39, 58, 59]. Ими были выявлены и сформулированы общие закономерности взаимодействия пути и подвижного состава на объектах железнодорожного транспорта. Так, исследованиями Н.П. Петрова и др. было установлено что вертикальные силы инерции неподрессоренных масс в большинстве случаев являются наибольшей компонентой в общем динамическом усилии, передаваемом колесами рельсам при движении подвижного состава по пути. Причинами их возникновения могут быть колебания колес из-за переменного характера сил, прилагаемых к колесной паре, неровности рельсового пути и на колесах, извилистое движение колесных пар и др. [10, 39]. Отмечается, что в приближенных расчетах вполне допустимо принятие гипотезы акад. Н.П. Петрова о том, что зависимость между реакцией рельса и его упругим прогибом под колесом в динамических процессах не отличается от той же зависимости в статике [10].

Эти общие закономерности были уточнены в исследованиях закономерностей взаимодействия кранов и крановых путей, выполненных И.И. Абрамовичем, А.И.Альперович, Г.М.Банных, В.И.Брауде, В.А.Буком, В.И.Богдановым, Л.М.Волиным, К.А.Волковым, А.В.Глазовым, Г.И.Гниломедовым, А.В.Голенищевым, Б.А.Евдокимовым, А.А.Зарецким, В.Н.Ивановым, С.А.Казаком, В.В.Карповым, ИЯ.Кога-ном, А.С.Коноплей,

A.А.Коротким, И.С.Леваковым, А.С.Липатовым, М.Д.Полосиным,

B.И.Поляковым, В.Б.Резниковым, Н.Д.Тагильцевым, М.А.Фришманом,

С.Н.Усовым, Б.Ф.Хазовым, Г.А.Штеллингом и др. [2, 3, 5,7, 8, 13, 14, 15, 17, 19, 22, 23, 24, 25,27 - 32,40, 42, 44, 49, 52 - 54, 57].

В целом проблема исследования взаимодействия кранов и крановых путей имеет различные аспекты :

• определение нагрузок на остов крана ;

• изучение траектории упругой линии , описывающей реальный рельсовый крановый путь;

• изучение траектории движения крана по реальному пути;

• изучение силового взаимодействия крановых ходовых колес с теоретическими и реальными крановыми путями и др..

В результате экспериментальных исследований В.П.Балашов делает вывод о значительном влиянии на траекторию движения мостового крана неровностей пути. При моделировании мостовых и козловых кранов он пользуется расчетной схемой в виде двухмассовой односвязной динамической модели с линейным упругим звеном. В его модели массы приведены к опорам (для козловых) или к концевым балкам (для мостовых) кранов, а другое звено имеет коэффициент жесткости моста крана в горизонтальной плоскости. При необходимости учета массы груза расчетная модель усложняется путем введения третьей массы, соединенной упругим звеном с одной из масс крана [4].

В работах А.В.Голенищева и др. отмечено, что особенность работы кранов на складах заключается в выполнении не столько погрузочно-разгрузочных операций , сколько работы по перемещению грузов на длину до 600-800 м и более. Результаты наблюдений автора за техническим состоянием кранов, показали, что часто кран, совершивший сравнительно немного циклов по подъему груза, выходит из строя раньше другого крана , сделавшего при работе с той же интенсивностью большее число циклов, но работающего в условиях , не требующих длительных перемещений. Отсюда был сделан вывод, что в существующих методиках расчета кранов влияние перекосных нагрузок на процесс накопления усталостных повреждений не

учитывается в достаточной мере с учетом специфики работы кранов на горных предприятиях [ 17, 24, 52-54].

В работах A.C. Конопли, В.Н. Иванова, В.А. Бука, В.А. Фомичева установлено, что на величину нагрузки на ходовые колеса кранов влияют: зазоры между ребордами и рельсами, жесткость кранового пути в горизонтальном направлении [8, 25, 33, 56].

В.Ф. Фомичевым предложена динамическая модель крана с переменной структурой. При движении крана вдоль рельсов металлоконструкция представлялась в виде четырехмассовой упругой модели (три составляющих массы крана, приведенные к опорам и середине пролета, и масса груза). При движении поперек рельса металлоконструкция представлялась в виде шестимассовой модели (каждая из масс крана, приведенных к опорам, делилась на две части). В работе обоснована возможность существенного упрощения модели [56].

В.Н. Иванов, изучая влияние кранового пути на движение мостового крана, рассматривал совокупность данных геодезической съемки пути как реализацию случайной функции. В работе приводится автокорреляционная функция плановых смещений рельсов, полученная в результате исследования 8 крановых путей. Показано, что несовершенства укладки кранового пути в плане оказывают большое влияние на движение крана, предложена классификация качества крановых путей [25].

Большинство авторов, исследующих траектории движения мостовых кранов, признают сильное влияние неровностей крановых рельсов в горизонтальной плоскости на характер и величину перекосных нагрузок. В настоящее время стало традиционным представление неровностей рельсов в виде нормально распределенных стационарных случайных функций. При этом, из-за сложности геодезического обследования большого количества крановых путей, все авторы обычно ограничиваются сравнительно небольшой выборкой при оценке статистических характеристик данной случайной функции. Средние квадратичные отклонения неровностей рельсов

в плане, по данным различных авторов, имеют значительный разброс (см. табл.1.1).

Таблица 1.1

Среднеквадратичные отклонения неровностей рельсов в плане.

Автор, источник Среднеквадратичное

отклонение, мм

Зубков А.Н. [17] 2,8-8,7

Иванов В Jf ,[25] 12,9-21,2

Волин Л.М [13] 5,8 - 10,0

Бук В.А. [8] 5,8-21,4

Авторы используют различного вида аппроксимации от функции Дирака до сложных аппроксимирующих выражений, учитывающих скрытую периодичность исследуемой случайной функции.

Заслуживает внимания опыт исследования надежности механизмов и металлоконструкций портальных кранов коллектива ученых под руководством д.т.н. В. И. Брауде (ЛИИВТ), а также работа д.т.н. А.А.Зарецкого [7, 23]. В них ставилась перед собой цель разработать и внедрить новую систему норм и методов расчета по предельным состояниям , направленную на создание эффективных башенных кранов и снижение их металлоемкости. Краны анализировались как линейные упруго-динамические системы при типичных внешних силовых воздействиях, представляющие собой стационарные гауссовские процессы . Необходимо отметить вывод, сделанный A.A. Зарецким о том, что колебания металлоконструкций, возникающие в результате пуска-торможения крана, затухают в течение 5-15 с, то есть за время весьма малое по сравнению с длительностью циклов работы кранов. Это позволяет в расчетах пренебрегать участками неустановившегося движения.

В целом, на основании изучения состояния вопроса можно

сформулировать следующие задачи исследований:

1. Изучить и дать анализ существующих методов исследования взаимодействия кранов и крановых путей ;

2. Разработать математическую модель системы "Кран-путь";

3. Разработать методику экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы "Кран-путь";

4. Выполнить натурные обследования элементов системы в условиях ее эксплуатации на предприятиях;

5. Разработать компьютерную модель системы;

6. Выполнить компьютерный эксперимент с целью расчета величины опорной реакции в процессе эксплуатации крана на реальном и идеальном путях и выявления основных закономерностей изменения ее величины в зависимости от параметров системы.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ "КРАН - ПУТЬ"

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

2.1. Основные допущения

В реальных условиях рельсы пути и колеса кранов имеют неровности на поверхностях качения, а также некоторые другие технические особенности-кривизна пути, конусность поверхностей качения колес и др.. В результате этого при движении в элементах системы "Кран-путь" возникают различные колебания, а между ними - динамические силы взаимодействия. Энергия затрачивается не только на поступательное перемещение крана, но и на преодоление сил трения, сопротивления передвижению, возбуждение колебаний, вызывающих процессы износа и разрушения элементов системы . Снижение сил динамического взаимодействия может быть достигнуто совершенствованием параметров конструкций крановых путей и элементов самих кранов, а также улучшением их технического состояния при эксплуатации.

Теоретическое изучение процессов взаимодействия элементов системы "Кран-путь" включает в себя разработку теоретической модели исследуемой системы с выбором метода исследований, системы исходных данных для расчетов и т.д., т.е. параметров всех элементов, входящих в модель или расчетную схему. Основная цель теоретических исследований системы "Кран-путь" заключается в разработке теории, позволяющей определить оптимальные значения параметров этой системы (например, геометрических размеров, величины масс, жесткостей, предельно допустимых отклонений параметров крановых путей от нормативных и др.), при которых сводятся к минимуму вредные колебания в ее конструктивных элементах. При оценке воздействия крана на путь необходимо определять значения сил, действующих на него (вертикальные, горизонтальные, поперечные и продольные) во время перемещения крана, напряжений в его элементах, интенсивность накопления остаточных деформаций и повреждений. В случае

оценки обратного воздействия пути на кран необходимо определить динамические силы, возникающие в элементах крана, напряжения в них, их прочность, величины перемещения, скорости и ускорения его элементов.

Разработка научной методики, позволяющей, в зависимости от параметров состояния кранового пути и конструктивных особенностей крана, прогнозировать и рассчитывать возникающие в процессе взаимодействия усилия и напряжения в основных звеньях единой механической системы "Кран-путь" составляет конечную цель исследований в данной работе. При этом управление указанными выше процессами не предусматривает обязательного сведения вредных факторов к нулю, поскольку это невозможно. Нужно лишь стремиться свести их к такому минимуму, который обеспечивает выполнение технических требований к данной системе (с учетом перспективы ее эксплуатации) и не требует чрезмерных затрат на ее создание и эксплуатацию.

Для построения математической модели или расчетной схемы исследуемой системы, а также для определения входящих в расчеты механических и геометрических параметров ее элементов, необходимо иметь представление о взаимодействующих в динамических процессах устройствах и конструктивных особенностях кранов и крановых путей, важные с точки зрения изучения процессов их взаимодействия.

С точки зрения механики кран, в общем случае, состоит из физических тел и связей между ними. Хотя части всех кранов, как правило, имеют неподрессоренное соединение, в отдельных направлениях перемещения элементов рассматриваются как подрессоренные. Неподрессоренные части кранов упругие, но ввиду их относительно большой жесткости в расчетах они часто считаются абсолютно твердыми.

Как известно краны, используемые в настоящее время на производстве и транспорте, делятся на стреловые (башенные, портальные и т.д.) и мостового типа (козловые, мостовые, подвесные и др.). Более сложными в эксплуатации являются краны стрелового типа, включающие в себя башню,

стрелу и опорную раму. Краны мостового типа значительно надежнее в эксплуатации, они менее чувствительны к состоянию кранового пути. Поэтому в работе была поставлена задача разработки более сложной модели стрелового крана и в дальнейшем под моделью крана будет пониматься именно эта модель.

Крановый путь как часть механической системы "Кран-путь" описывается совокупностью характеристик, которые можно разделить на две группы:

- характеристики, определяющие реакцию пути на динамическое воздействие колеса крана;

- характеристики, определяемые остаточными деформациями, накопившимися в пути под воздействием нагрузок от колес крана.

В верхнем строении пути под воздействием колес крана возникают силы упругости, силы инерции и силы трения. Эти силы будут различны дня конструкций путей, отличающихся по жесткости. Упругая составляющая динамической реакции пути нелинейно зависит от прогиба, в расчетах эта зависимость для упрощения модели с достаточной для практических целей точностью принимается линейной [31, 35,57].

Силы инерции возникают в верхнем строении пути как при безударном движении, так и при ударах колеса крана о рельс, а также из-за наличия в нем перекосов. Поэтому при ударном и безударном взаимодействии колес крана и рельсов силы инерции в верхнем строении пути будут весьма различны.

При эксплуатации пути в его нижнем строении под воздействием внешних нагрузок непрерывно накапливаются остаточные деформации. Так как интенсивность накопления остаточных деформаций по длине пути различна (в основном из-за стохастического значения модуля упругости грунтового основания по всей площадке и не равной жесткости верхнего строения по длине пути), то постепенно головки рельсов отклоняются от нормального положения, возникают различного рода неровности [13, 22].

Вследствие этого план и профиль пути принимает вид ломаной линии с продольными и поперечными уклонами. При движении по такому пути кран начинает качаться, в результате чего давление на опоры крана становится переменным.

Следовательно, одной из основных причин колебаний крана являются неровности опорной поверхности(рельсов) как следствие непостоянной по длине жесткости верхнего строения и неравномерности накопления остаточных деформаций в грунтовом основании нижнего строения пути.

2.2 Результаты натурных обследований кранов и путей.

Величины сил взаимодействия, характер колебаний элементов системы "Кран-путь" связаны с особенностями конструкции и фактическим состоянием пути, в первую очередь его верхнего строения. Для оценки фактического состояния и амплитуды колебаний параметров крановых путей был выполнен комплекс натурных обследований объектов на территории Свердловской области. Результаты данных обследований представлены в приложении П1.

Анализ результатов показал, что в верхнем строении крановых путей кранов используются как новые рельсы Р50, Р65 так и старогодные I и II групп годности, соответствующие ТУ-32 ЦП -1-76. В качестве соединительных элементов рельсов инвентарных секций используются как двухголовые стыковые накладки по ГОСТ, так и специальные четырехдырные накладки в виде пластин. Остаточные деформации накапливаются неравномерно по длине и в поперечном направлении пути. Уклоны пути в отдельных случаях превышают нормативный, что приводит к образованию перекосов. Величина перекосов нередко достигает 10-12 см, а в некоторых случаях и более, что приводит к наклонам крана по диагонали в

пределах 10 (при опирании на две опоры) и около 20см (при опирании на три опоры).

При обследовании кранов установлено, что кроме отдельных случаев раскрытия трещин в рамах, имеются случаи преждевременного выхода из строя электродвигателей поворота башни, механизма передвижения и ходовых тележек крана. Результаты проведенных обследований в целом подтвердили важность проведения теоретических исследований влияния параметров путей на условия передвижения (опирания) крана, на распределение нагрузки по опорам и других факторов.

2.3. Анализ нагруженности опорных элементов неподвижно стоящего стрелового крана

При движении крана по пути с реальными неровностями контакт колес с рельсом обеспечивается за счет упругих свойств рельсового пути и элементов опорной рамы. Если сумма деформаций элементов системы меньше величины неровности на рельсовом пути то, следовательно, башенный кран будет перемещаться на трех ходовых тележках, а при расположении центров тяжести отдельных масс по диагонали, проходящей через две загруженные ходовые тележки, кран будет опираться на две точки. Возникающие при выполнении технологических операций в элементах системы динамические силы, отклонения от положения равновесия, инерционные перегрузки являются следствием колебательных процессов и других видов неравномерного движения инерционных масс, составляющих рассматриваемую механическую систему.

Задачами изучения колебаний элементов системы "Кран - путь" являются:

• выяснение их физической природы и причин, их вызывающих;

• установление допустимого уровня порождаемых ими силовых воздействий;

• разработка рекомендаций по выбору конструктивных параметров элементов системы "Кран-путь", которые обеспечат надежность эксплуатации кранов и увеличат срок их службы.

На стоянке система «Кран - путь» выводится из состояния покоя вращением стрелы стрелового крана с грузом. При этом получат перемещения (деформации) элементы системы: флюгер, лафет, рельсы, балластный слой и земляное полотно.

Пусть базовая площадка крана опирается на рельсовый путь в трех точках (А, В и О). Превышение базовой площадки над головкой рельса в четвертой точке (С) до ее деформации обозначим через Ь (рис.2.1). Опоры базовой площадки имеют податливость Ка, Кв, Кс и Ко.

Реакции опор в точках А, В и Б будут определяться по формулам:

Ка= М^Шф - СОБф) / Ь - М^Шф + СОБф) / Ь ,

Кв = Р/2 +(Мп созф + М^ вшф ) / Ь ,

(2.1)

Яо= Р/2 + (М^совф - М^тф)/ Ь .

р

Рис.2.1. Расчетная схема опираний крана

где Р, Мл, - главный вектор и составляющие главного момента сил, приложенных к стреловому крану, относительно центра базовой площадки;

Мп - момент относительно оси, перпендикулярной к стреле крана;

М^ - момент относительно оси крана;

ф - угол между стрелой крана и осью рельса. Формулы (2.1) справедливы только при Яа> 0, т.е.

1ёф>(Мп + М^/(М11-М0, (2.2)

Осадка опор крана за счет упругих деформаций элементов крана и пути определяется по формулам:

Да= КаК-а; Ав =КвЯв; Ао = КоИо , (2.3) Точка С базовой площадки получит перемещение

Ас = Ав +Ав -Да = КвЯв + КоЯо - КаЯа , (2.4) Примем податливость пути постоянной. Тогда

КА = Кв = Ко = К ,

Податливость опор определяется как сумма податливостей основания крана и элементов пути.

Перемещение точки С с учетом постоянной податливости определяется по формуле:

Дс=К [ Р +2 Мп(со8ф - БШф)/Ь +2 М^собф +зтф)/Ь], (2.5)

Зазор между головкой рельса и колесом крана на опоре С после упругой деформации будет равен:

111= Ь - Ас ,

Если 1ц>0 ,то кран будет продолжать опираться на три точки. Если 111<0 , то кран будет опираться на четыре точки.

(2.6)

Определим превышение Ь, при котором кран будет опираться на три точки для различных углов ф:

h >К [Р + 2 Мл( eos ф - sin ф)/Ь + 2 М^соэф + sin ф) / b ], (2.7) Для башенного крана

Mn = Mi + М2 + М4 + Ki V Мб2 + М92 + Mío2, (2.8)

= М5 + Ki ■

Если принять для распространенного типового крана марки КБ-405 : Mi = 1620 кНм - опрокидывающий момент от веса груза; Мг = 745 кНм - то же от веса крана; М4 = 427 кНм - то же от нормативной ветровой нагрузки; М5 = 393 кНм - то же от нормативной нагрузки поворота; Мб = 152.2 кНм - опрокидывающий момент от сил инерции, возникающих при подъеме;

М7 = 102.5 кНм - то же от сил инерции при повороте крана; М9 = 81.0 кНм - то же от перегрузки веса груза; Мю = 70.4 кНм - то же от пульсации ветра; Ki = 5.6 - коэффициент надежности, то, учитывая для Мп и М^ все составляющие их опрокидывающих моментов, получим следующие значения внешней нагрузки:

Р = 1192 кН; Мц = 2555 кНм; М^ = 967 кНм.

Т.к. поворот стрелы может осуществляться как по часовой, так и против часовой стрелки, то значение М^ следует принимать как положительным, так и отрицательным. Это сказывается на области допустимых значений угла ф. При М^ = 967 кНм угол ф может изменяться от 65.73° до 245.73°, а при М^ = = - 967 кНм соответственно от 24.27° до 204.27°.

На рис.2.2 представлена зависимость превышения hi от угла поворота стрелы при различной податливости подкранового пути для случая, когда

= 967 кНм. При учете только трех опрокидывающих моментов Mi, Мг и М4 внешняя нагрузка будет иметь следующие значения Р = 1161 кНт; Мп= = 1302 кНм; М^ = 0. Область допустимых значений угла ср будет от 45° до 225°. Зависимость hi от угла ф для этого случая показана на рис.2.3.

При отсутствии нагрузки на крюке следует учитывать только Мг и опрокидывающие моменты от ветровой нагрузки. Значения внешней нагрузки в этом случае будут Р = 1071 кН, Мп= - 1925 кНм; М^ = 0. Угол q> может изменяться от 225° до 450°. На рис.2.4 представлена зависимость hi от угла ф для этого случая.

Из графиков на рис. 2.2, 2.3, 2.4 видно, что наибольший зазор h между колесом и головкой рельса, при котором кран будет опираться в 3 точках, возникает на границах области допустимых значений ф, т.е., когда реакция Ra принимает нулевое значение. В этом .случае выражение для зазора h примет следующий вид

h > KP , (2.9)

Наибольшее значение Р, например, для крана КБ -405 2А будет 1192 кН. В этом случае наибольшее значение h будет 119 2 К.

В нормах допустимый уклон пути принят 0.01, что для базы крана в 6 м дает зазор между головкой рельса и колесом 6 см. Для кранового пути на деревянных полушпалах и песчаном балласте податливость К = 0.067 + 0.4298 = 0.5 мм/т. Зазор h > 0.5 * 119.2 = 59.6 мм » 6 см равен допустимому, подсчитанному по нормам.

При других углах поворота стрелы ф, податливостях К и внешних нагрузках зазор hi быстро убывает ( рис. 2.2, 2.3, 2.4). Следовательно, большую часть времени кран работает с зазором меньше регламентируемого 6 см, т.е. опирается на три ходовых тележки. Для того, чтобы кран опирался

/ .

Податливость опор К:

- К = 0,05 мм/кН

_____К = 0,04 мм/кН

Р= 1192 кН = 2555 кН м

___К = 0,03 мм/кН

.....К = 0,02 мм/ кН

15 30 45 60 75 90 105 120

195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 Угол поворота стрелы (р, град

N>

Рис. 2.2. Зависимость зазора между колесом и головкой рельса от угла поворота стрелы

при различной податливости опор

^55 ^50 §45 |40 35 30 25

20 15 10 5 0

1

у - п гк р = 1071 кН

/ хг \ = 0 -

) ------XV - мм/кп ---к = 0,03 мм/сН ........ К = 0,02 мм^сН "И,

/ / / \ \ \ - ¿Ъ Кг 1М

/ > г / / \ ч \

/7 / / / / / / / \ \ \ N \ \

/ / / л \ ч ч ч \ \ \ \ Л ч

^ ? / ✓ / ч n \ ч \ n ^ ч \ /

/ ✓ / n n \ n ч \ \ v V 4 у/у г [_ /

л

/ Г"- -----

15 30 45 60 75 90 105 120 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360

Угол поворота стрелы крана Ф, град.

Рис. 2.3. Зависимость зазора между колесом и головкой рельса от угла поворота при различной податливости пути

К)

15 30 45 60 75 90 105120135150165 180195 210 225240 255

Угол поворота стрелы крана Ф, град.

Рис 2,4 Зависимость зазора между колесом и головкой рельса от угла поворота стрелы при различной

податливости пути

в четырех точках, необходимо либо повышать податливость пути, либо вводить более жесткие ограничения на допустимый уклон пути.

2.4.Исследование движения крана по рельсовому пути.

Рассмотрим движение крана по жесткому пути. Натурные обследования условий эксплуатации кранов, применяемых в горном производстве, показали, что база стреловых кранов опирается, как правило, в трех точках. При этом база крана занимает негоризонтальное положение, которое можно описать двумя уклонами в направлениях осей X и Y (inp и inon). Поэтому одной из задач исследований является определение опорных реакций крана с учетом реальных уклонов путей.

При негоризонтальном положении базовой площадки изменяются координаты точек приложения внешних сил, действующих на кран. Для определения координат с учетом реальных уклонов выберем две прямоугольные системы координат:

1) система координат X, Y, Z, где оси X, Y лежат в горизонтальной плоскости;

2) система координат Xt, Yi, Zi, связанная с краном, где оси Xi и Yi расположены в плоскости базовой площадки, ось Z направлена вдоль башни крана.

Переход от системы координат Xi, Yi, Zi к системе X, Y, Z производится по формулам преобразования:

X = Xi cos (XiAX) + Yi cos (YiAX) + Zi cos(ZiAX) ,

Y= Xi cos (XiAY) + Yi cos (YiAY) + Zi cos (ZiAY) , (2.10)

Z = Xi cos (XiAZ) + Yi cos (YiAZ) + ZI cos (Z]AZ) .

Для определения косинусов углов между осями X, У, Ъ и Х1, Уь Zl рассмотрим базовую площадку крана в негоризонтальном положении. Превышения площадки в точках А, В, С и Б обозначим Ьа, Ьв, 11с, Ьо. Координаты точек в системе координат (X, У, 7) будут следующие:

точка А (-0.58, -0.5Ъ , Ьа); точка В ( 0.5б , 0.5Ь , Ьв); точка С ( 0.5б , -0.5Ь , Ьс); точка Б ( 0.58, -0.5Ь , 1ю); точка О ( 0 ,0, 0.5(ЬВ + Ио»; точка Е (0.5б , 0 , 0.5(Ьс + Ьо)).

Уравнение нормали к базовой площадке будет следующее:

х - хв у - ув г-гв I

I хс - Хв ус - ув гс-гв 1=0 (2.11)

I хо-хв у о - ув го-гв I

Или:

|х + 0.5б у - 0.5Ь г-Ьв1

I б 0 Ис-Ьв! =0 (2.12)

I Б -Ь 1ю - Ьв I

Вектор Ъ\ - {-Ь(Ьс - Ьв) , -эфе - 11о) , вЬ }.

После нормирования вектор Ъ\ примет следующий вид:

1пр 1поп 1

& = {--,--,-}. (2.13)

V 1 + ¿2пр +12поп < 1 + ¡2пр +12поп /7

Ось Х1 проходит через точки О и Е, следовательно ее уравнение будет:

х - хо у - уо г - То -=-=- , (2.14)

хв - Хо уо - уо го - го

Или:

х - 0 у - 0 ъ - 0.5(Ьв + Ьо)

(2.15)

0.58 0 0.5(Ьс-Ьв)

Вектор Х1 = { 0.5б , 0 , 0.5(Ьс - Ьв)} после нормирования принимает следующий вид:

1 ¡пр

Х, = {-,0,-} . (2.16)

-ГГ+¥пр лГГГРГр

Вектор У1 равен векторному произведению Ъ\ х Хь

¡пр ¡поп 1 1^пр

у» = { (2.17)

< ¡2пр 12поп + (1 + 12пр)2 +{2поп д/|2поп + (} + 12^)2 +¡2^ 1поп

V 12Пр 1'2поп(1 + 12пр)2 +121ТОП

Косинусы углов между осями координат выражаются через уклоны ¡пр и ¡поп по следующим формулам

СОБ (Х1ЛХ) = 1 N 1 + ¡пр2 . соз(Х1л У) = 0,

С08 (Х1А2) = ЪфЛ/Жпр2'

С08(У 1АХ) = 1пр ¡поп/ чТпр2 ¡поп2 +(1 + ¡пр2)2 + ¿поп2 '

С08(У,ЛУ) = (1 + ¡пр2) / л/Ьр2 ¡поп2 + (1 + ¡пр2)2 + ¡поп2 , (2.18)

С08(У 1Л2) = -¡поп / V ¡пр2 ¡поп2 + (1 + ¡пр2)2 + ¡поп2 '

С08^1ЛХ)= -¡пр / ^¡пР2+ ¡шш2+ 1 ,

СОв^У) = ¡поп / ^¡пр2+ ¡поп2+ 1,

со8(г1лг) = 1/ ¡поп2+1.

Внешнюю нагрузку, передающуюся на базовую площадку сведем к следующей системе сил: М - расчетный момент в вертикальной плоскости, который можно разложить на моменты в плоскостях вдоль (Му) и поперек (Мх) крановых путей;

Р - расчетная вертикальная сила, действующая по оси вращения крана.

Определим реакции опор крана. Для этого составим три уравнения равновесия. Спроектируем все силы на ось Ъ.

ЯА + Яв + КС + КВ^Р. (2.19)

Определим сумму моментов относительно оси X.

0.51иЬ + 0.5КоЪ - 0.51Ы> - 0.5КсЬ = Мх . (2.20)

Определим сумму моментов относительно оси У.

0.51^ + 0.51^ - 0.51^ - 0.5Яв8 = Му . (2.21)

Недостающее четвертое уравнение получим исходя из условий деформаций. Если считать базовую площадку крана абсолютно жесткой, то можно записать уравнение вида (2.4), связывающее перемещения точек А, В, С и О.

Аа + Ас-Дв-Ао = 0. (2.22)

С учетом только упругих деформаций основания крана и пути, последнее уравнение примет вид :

КА Яа + Кс Яс - Кв Яв - Ко Яо = 0 . (2.23)

Перепишем уравнения в матричной форме.

А № = Р ,

(2.24)

где:

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Шевнин, Владимир Михайлович

10. Результаты работы внедрены в практику эксплуатации кранов и крановых путей и включены в состав нормативно-технической документации Госгортехнадзора РФ «Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шевнин, Владимир Михайлович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1.Акулиничев В.M., Кудрявцев В.А., Корешков А.Н. Математические методы в эксплуатации железных дорог.- М., 1981.-223 с.

2. Альперович А.И., Полосин М.Д., Поляков В.И. Устройство и эксплуатация подкрановых путей на строительстве. М., 1975. - 83с .

3. Абрамович И. И. Методика испытания козловых кранов // Сб. науч. тр. №2 (82). - М.,1968.- с. 177 - 205.

4. Балашов В.П. Исследование поперечных сил при движении мостовых кранов: Дис....канд. техн. наук. - М.,1958 - 225с.

5. Банных Г.М. Совершенствование конструкции инвентарных секций рельсовых путей строительных башенных кранов с железобетонными под рельсовыми опорными элементами: Дис...канд. техн. наук. - JL, 1986. - 205с.

6.Беленький A.C. Исследование операций в транспортных системах: идеи и схемы методов оптимизации планирования.- - М., 1992.-584 с.

7. Брауде В.И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин, -Д.,1978.-231с.

8.Бук В.А. Разработка методики определения динамических нагрузок кранов мостового типа на основе анализа случайных колебаний при движении: Дис.... канд. техн.наук.-Челябинск, 1986. - 214с.

9. Взаимодействие пути и подвижного состава и вопросы расчетов пути // Труды ЦНИИ МПС, вып.97. - М., 1955 - 235с.

10. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. -М., 1986.- 559 с.

11. Вериго М.Ф. Расчет напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна// Взаимодействие пути и подвижного состава и вопросы расчетов пути . Труды ЦНИИ МПС , вып. 97. - М., 1955. - с. 26-34.

12. Вершинский C.B., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагона. -М., 1978,- 352 с.

13. Волин J1.M., Штеллинг Г.А. Действительная работа рельсовых путей башенных кранов// Строительные и дорожные машины. -М., 1966, вып.З. - с.52-58.

14. Волков К.А. Разработка имитационных методов расчета нагрузок на механизмы изменения вылета портальных кранов: Дис. ... канд. техн. наук. -Л.,1984.- 284с.

15. Гниломедов Г.И. Исследование процессов нагружения крановых конструкций, вызванных раскачиванием груза. В сб. трудов ЛИИВТА. - Л., 1973.ч.5.-с.13-25.

16. Годыцкий-Цвирко А.М. Взаимодействие пути и подвижного состава. - М., 1931.-215с.

17. Голенищев A.B. Исследование процесса перекосного нагружения работающих в лесной промышленности козловых кранов с целью повышения их надежности: Дис... канд. техн. наук. - Л., 1986. - 205с.

18. Голенищев A.B., Шевнин В.М. Повышение надежности козловых кранов// Лесная промышленность, - 1998, №1. - с.20-21.

19. Городилов С.Н., Калентьев В.А., Тагильцев Н.Д. и др. Влияние планово-высотного положения крановых путей на напряженное состояние элементов башенных кранов. - Екатеринбург, 1998. - 25с.

20. Данилов В.Н. Железнодорожный путь и его взаимодействие с подвижным составом. - М., 1961.- 70с.

21. Денисов A.A., Колесников Д.Н. Теория больших систем управле-ния.-Л.,1982.- 288 с.

22. Евдокимов Б.А., Богданов В.И., Глазов A.B. Исследование прочности и расчет конструкций путей строительных башенных кранов. - М., 1980.- 172 с.

23. Зарецкий A.A. Развитие теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям: Дис. ... докт. техн. наук. - М.,1982. -430 с.

24. Зуев В.А., Васильев В.Г., Голенищев A.B. Применение козловых кранов на лесозаготовительных предприятиях// Лесоэксплуатация и лесо-сплав.Вып. -- 10.-M.J989.-c.44.

25. Иванов В.Н. Исследование влияния реального пути и параметров приводных колес на движение мостового крана: Дис. ... канд. техн. наук. -Харьков, 1983. - 204с.

26.Ильичев A.B., Волков В.Д., Грушанский В.А. Эффективность проектируемых элементов сложных систем. М., 1982.- 280 с.

27. Инструкция по оценке риска эксплуатации грузоподъемных кранов, установленных в зданиях и сооружениях. (Расчетно-экспериментальный метод). Проект./ Короткий A.A. и др. - Новочеркасск, 1997-19с.

28. Казак С.А. Статистическая динамика и надежность подъемно-транспортных машин. - Свердловск, 1987. - 86 с.

29. Карпов В.В. Разработка методов определения нагруженности металлоконструкций верхнего строения перегрузочных портальных кранов: Дис.... канд. техн. наук. - JI.,1987, - 220с.

30. Коган И.Я. Строительные башенные краны М., 1971. - 396 с.

31. Коган И.Я., Хазов Б.Ф., Рылев Ю.И. Статические исследования нагрузок на башенные краны в условиях эксплуатации// Исследования башенных кранов. Труды ВНИИстройдормаш, вып.34. - М., 1963. - с. 12-25.

32. Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин. Общие положения. РД-10-138-97. -М.,1997. - 38с.

33. Конопля A.C. Вопросы силового взаимодействия крановых ходовых колёс с рельсами: Дис... канд. тех. наук. -Л., 1969. - 242с.

34. Лазарян В.А. Динамика вагонов - устойчивость движения и колебания. - М., 1964.-255 с.

35. Марготъев А.Н. Оценка прочности балластного слоя и земляного полотна по предельному состоянию.- Труды ЦНИИ МПС, вып.415. - М., 1970.-с. 65-74

36.Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем/ Пер. с англ. под ред. A.A. Петрова.- М.,1975.- 500 с.

37.Новенко А.В.,Стоцкая JT.В.,Кузнецова H.A., Шевнин В.М. Анализ руководящих документов по устройству, эксплуатации и комплексному обследованию крановых путей грузоподъемных машин// Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Сб. науч. тр.- Екатеринбург, 1997.- с.78-79.

38.Первозванский A.A. Математические модели в управлении производством. - М.,1975.- 616 с.

39. Петров Н.П. Напряжения в рельсах от изгибов в вертикальной плоскости и вероятность определения этих напряжений опытами. -СПб, 1906.-107с.

40. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. ПБ-10-14-92.-М., 1993.- 235 с.

41.Проблемы прогнозирования и оптимизации работы транспорта/ Под ред. J1.B. Канторовича и В.Н. Лифшица. М., 1982.- 327 с.

42. Разработать нормы по устройству, эксплуатации и преобразованию рельсовых путей строительных башенных кранов (взамен СН 28-29)// Отчет по НИР. Руководитель Н.Д. Тагильцев. № ГР 01.830029692, Ин. № 02850.024726 - Свердловск, 1986. - 67с.

43. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рексдел К. Оптимизация в технике/ Пер.с англ. -М.,1986.Кн.1и2. -349и272с.

44. Резников В.Б. Фактические нагрузки на опорно-ходовые части портального крана. // Речной транспорт - 1961, №4. - с. 15-18.

45 .Самарский A.A. Современная прикладная математика и вычислительный эксперимент// Коммунист. 1983. № 9.-е. - 32-42.

46.Смехов A.A. Математические модели процессов грузовой работы. -М., 1982. -256 с.

47. СНиП 3.08.01-85. Механизация строительного производства. Рельсовые пути башенных кранов. / Госстрой СССР. - М., 1986. - 48 с.

48. СТП 08/1-35-89. Козловые краны, эксплуатируемые на лесопромышленных предприятиях. Выносливость стальных конструкций. Метод расчета. - Свердловск ,1989. - 26 с.

49. Тагильцев Н.Д., Салахутдинов Ш.А., Банных Г.М. и др. Инструкция по устройству и содержанию рельсовых путей козловых кранов на предприятиях ТПО "Свердлеспром". - Свердловск, 1988.-49 с.

50. Теоретические исследования процессов взаимодействия элементов системы " Строительный башенный кран - рельсовый путь". Программа и методика экспериментальных исследований. Отчет о НИР (промежут.) Руководитель Н.Д. Тагильцев. №ГР01.86.0014638. - Свердловск, 1987. - 59 с.

51. Требования к устройству и безопасной эксплуатации рельсовых путей козловых кранов. РД-10-117-95.-М.,1996. - 105 с.

52.Усов С.Н., Голенищев A.B. Техническое состояние грузоподъемных кранов.//Лесная промышленность .- 1986, № 4, - с. 46 - 48.

53. Усов С.Н., Голенищев A.B. Грузоподъемные краны на лесных складах.// Безопасность труда в промышленности. - 1987, №11. - с.58 - 59.

54. Усов С.Н., Голенищев A.B. Интенсивность эксплуатации режим работы кранов.//Лесная промышленность. - 1990, №4 - с. 19-20.

55.Федотов Г.А. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог.- М.,1986.- 317 с.

56. Фомичев В.Ф. Разработка методики определения динамических нагрузок в металлоконструкциях козловых кранов: Автореферат дис. ... канд. техн. наук.- М.,1990. - 16с.

57. Фришман М.А., Леваков И.С. Ещё раз об определении модуля упругости подрельсового основания. - М.,1965.- вып.57, с.4-8.

58. Яковлев В.Ф. Геометрические неровности рельсовых нитей// Тр. ЛИИЖТ, - Л., 1964, вып 222,- с. 59 - 66.

59. Яковлев В.Ф. Исследование сил взаимодействия колеса и рельса с учетом нелинейных односторонних связей и переменных масс// Тр.ЛИИЖТ,-1964, вып.233, - с. 46-95.