автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Динамические нагрузки портальных кранов при работе механизма изменения вылета и сейсмических воздействиях

На правахрукописи

КИМ ЕН ЧЕР ТЕ ГЫНОВИЧ

ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ ПРИ РАБОТЕ МЕХАНИЗМА ИЗМЕНЕНИЯ ВЫЛЕТА И СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные

машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре "Транспортные и технологические системы" в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Орлов Алексей Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бардышев Олег Андреевич кандидат технических наук, Липатов Анатолий Степанович

Ведущая организация: ОАО "Технорос", г. Санкт-Петербург

Защита состоится 2004г. в № ~ часов на заседании

диссертационного совета Д 212.229.24 в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу:

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29, корп.1,ауд.41.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан "АЗ <!я/ 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы и ее актуальность.

Актуальность работы. 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. Многообразие 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 требует создания конкурентоспособных машин в кратчайшие сроки, когда часто нет ни времени, ни средств на создание и испытание опытного образца в реальных условиях эксплуатации, 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 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, и с и о л конечно-элементны^ мопелсй т е л ь и о упрощает и с и 1СТ0ИМ01г1В0Сл1|ВДШЭДЛЦ1А8фки иных теоретических результатов.

! ^Щи

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

Указанная цель определила следующие основные задачи исследования:

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

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

• 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:

1. Методика автоматизированного определения нагрузок на

элементы системы изменения вылета портальных кранов при проектировочном расчете.

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

3. Методика численного 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, ускоряют этапы проектировочного расчета, а анализ сейсмостойкости- кранов, позволяет 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 Р.Ф. в рамках программы "Исследование сейсмостойкости кранов мостового типа на АЭС".

Публикации. Основные положения исследования были изложены автором в восьми печатных работах. Принципиальные положения работы и ее отдельные аспекты обсуждались на заседаниях кафедры и на научных конференциях СПбГПУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 120 страницах. Общий объем 188 страниц, 43 рисунка, 5 таблиц.

Содержание работы.

Во введении аргументируется актуальность темы, определяются цель и задачи исследования, основные научные положения, выносимые на защиту, и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена изучению существующих методов расчета, рассмотрению задач динамического анализа и синтеза, а также концепции построения моделей грузоподъемных крапов.

Основной целью расчетов кранов является проверка работоспособности и эффективности отдельных элементов и машины в целом в процессе проектирования.

При рассмотрении существующих методов расчета выделяются следующие направления:

• метод расчета проектируемых машин по допускаемым напряжениям с использованием комбинаций квазидинамических нагрузок. Данная методика наиболее распространена в крановых конструкторских бюро. Эксплуатация крана в течение длительного времени учитывается группой режима работы крана.

• расчет по методу предельных состояний получил существенное развитие в работах по башенным кранам. Достоинством метода является вероятностная оценка нагрузок, но рассматриваются они как случайные величины, а не случайные процессы, и при сложном взаимодействии остаются без должного обоснования их вероятностные связи. Влияние окружающей среды учитывается при расчете так же, как и в методе допускаемых напряжений, а условия эксплуатации путем назначения коэффициентов перегрузки, которые определяются статическими методами для каждого вида нагрузки.

• в последнее время все чаще используется метод конечных элементов. Метод нашел свое применение в разных областях, он применяется как для расчета магнитных полей, так и для расчета динамического воздействия на конструкции. Это стало возможным в связи с

увеличением возможностей вычислительной техники, возросшего качества программного обеспечения. Расчет методом конечных элвхментов фактически заменил собой натурные исследования. • обособленную группу составляют вероятностные методы расчета грузоподъемных машин, разработанные В.И. Брауде и его школой на . основе исследований по портальным и плавучим кранам. Эти методы опираются на фундаментальные работы в области теории выбросов случайных процессов, общие исследования циклической прочности, разработок по статической динамике систем. , При рассмотрении вопроса содержания задач динамического анализа и синтеза следует отметить, что задачей динамического анализа является не только определение динамических нагрузок, но и выявление способов их уменьшения, например, с помощью введения различных виброзащитных устройств. В этом аспекте задачи динамического анализа и синтеза переплетаются.

В концепции построения моделей грузоподъемных кранов важно учитывать тот факт, что при любом исследовании или разработке (в том числе и при создании обобщенной модели) конечные результаты должны иметь по возможности более широкую область применения. В то же время, очевидно, что создать модель, удовлетворяющую всем требованиям сразу, нереально. Речь может идти лишь о частной (асимптотической) модели, удовлетворяющей части выдвинутых требований при определенных условиях работы.

Важнейшим требованием к модели является требование к ее адекватности изучаемому реальному объекту относительно выбранной системы его характеристик. Под этим понимается:

1. Правильное качественное описание объекта по выбранным

характеристикам.

2. Правильное количественное описание объекта по выбранным

характеристикам с некоторой разумной степенью точности.

Кран с грузом на гибком подвесе в общем случае представляет собой компоновочно - конструктивное объединение ряда подсистем-двигателей, передаточных механизмов, металлической конструкции, грузозахватного устройства. Каждую из указанных подсистем можно разбить на более мелкие блоки, которые имеют различные конструктивные исполнения. Структура динамической модели может быть наглядно выражена с помощью динамического графа (схемы). Динамический граф грузоподъемных кранов приведен на рис.1.

Рис. 1. Динамический граф грузоподъемных кранов. -Таким образом, краны и их механизмы можно рассматривать как составные динамические системы одно- или многосвязные, в зависимости от числа рассматриваемых подсистем, структуры и характеристики связи.

Во второй главе рассматривается методика автоматизированного определения нагрузок на элементы системы изменения вылета при проектировочном расчете.

Определение нагрузок на элементы стреловой системы портального крана особенно важно на этапе проектировочного расчета, когда нет достаточной информации для построения динамической модели крана с упругими звеньями. На данном этапе нагрузки определяются', как квазидинамические с учетом коэффициентов динамичности. На рис.2 представлена динамическая модель системы изменения вылета портальных кранов в виде механизма с жесткими звеньями.

Рис. 2. Динамическая модель системы изменения вылета портальных кранов в виде механизма с жесткими звеньями. Положительные направления нагрузок на элементы стреловой системы портального крана в виде механизма с жесткими звеньями представлены на (рис. 3.)

Рис. 3. Положительные направления нагрузок на элементы стреловой

системы.

При определении нагрузок используются кинематические передаточные функции первого порядка (аналоги передаточных отношений), связывающие скорости (угловые и линейные) звеньев системы изменения вылета (СИВ) с угловой скоростью фс стрелы. Кинематические передаточные функции рассмотрены для различных конструктивно -компоновочных исполнений стреловых и уравновешивающих устройств. Введение кинематических передаточных функций позволило реализовать концепцию составной динамической модели. Усилие в оттяжке Рот:

где С,С,^-соответственно веса груза, хобота и оттяжки; ах, аот , аж -углы, определяющие положение хобота , оттяжки и каната; 1Щ- центр

тяжести хобота; - длина заднего плеча хобота; - длина переднего плеча

хобота; - кратность грузового полиспаста.

Усилия, изгибающие хобот и стрелу

cos ах - tgeC; sin az - -

Я = f {<? • ("о " • ир)+ (G* + • C0S<Pc

'с

- ■Их • \.°х • ■•>cos ах - 0,5 • Gom ■ llx ■ cos(a, + е2)]} (2)

где кинематические передаточные функции

Up = УФс = 'sin9с + и*'/lx'süia*)'

ип =

= /с • cos^c - их • llx • cosax -

4-sin fe-g.)

и = 2х/ - 1с-*™(<Рс-<Хот) ' /Фс 11х-ыъ{ах + вг + аш)

Усилие Л^1", сжимающее стрелу:

со $(<рс-ак)

К=в

вт<рс - tgaг -со5<рс + -

+ (вх + 0^)81X1 <рс + ^ • соз(рс - аот) где Рот определяется по формуле (1).

Усилие Р на тяговый элемент механизма изменения вылета:

Ьрс1ръ\п{(рс + ер+г]р)

где ир =

+с11+ 2 ¿Л со<<Рс +£Р+ЧР)

Мгк -момент относительно корня стрелы от ветровой нагрузки на стрелу; Мн =Мстр +Мпр -неуравновешенный стреловой момент, Мстр -момент от сил тяжести элементов стреловой системы:

-0,5вот12хсо5(ах + е2)]

Мпр -момент сил тяжести противовеса, приведенный к оси качания стрелы:

Мт= " р 21} /"

где и„ = ^п/ = {/„ + ¿п соб^ + ес - Чв) + Е,},

Е-<ПпУДп ~/? + Ъ2п)/ *~ /А

ЬАС05(<Рс + + со8(я„ +

(3)

А=М/«"А2,

= А[4 + + ) - 5т(7„ - г„)], /чс - цептр тяжести стрелы, е„ -

внутренний угол коромысла противовеса, 1т - расстояние от оси крепления стрелы до оси тяги противовеса, с1п~ длина от оси качания стрелы до оси качания коромысла противовеса /я - длина переднего плеча коромысла противовеса, - длина тяги коромысла.

Для прямых стрел с уравнительным полиспастом нагрузки на стрелу определяются по формулам:

ЛГ. = <7 ею<рс - tgaг соэ<рс + со%{(рс -а,) ,

и

где и^ -кратность уравнительного полиспаста.

В третьей главе рассматривается математическая модель кранов стрелового типа в виде механизма с упругими звеньями. Динамическая модель СИВ портального крана с грузом в виде механизма с упругими звеньями представлена на рис.4. Структура СИВ портальных кранов является наиболее общей для стреловых кранов, поэтому взята за основу. Движение СИВ крана с грузом будем рассматривать в неподвижной системе координат хкукгк, о с ьЭ^го торой направлена вертикально вверх по оси вращения крана, а ось проходит через корень стрелы (см.

рис.4).

Рис.4.Динамическая модель системы изменения вылета портальных кранов в виде механизма с упругими звеньями.

При выводе дифференциальных уравнений, описывающих движение элементов СИВ крана с грузом, применим метод линеаризации уравнений движения механизмов с нелинейными функциями положения, основанный на предположении близости законов движения механизма с упругими звеньями к закону движения жесткого механизма. Закон движения СИВ в соответствии с жесткой математической моделью примем за программный. Отклонения от программного движения, вызванные податливостью звеньев элементов системы, будем рассматривать как динамические ошибки и полагать малыми величинами; в уравнениях движения членами, содержащими их второй порядок, будем пренебрегать.

Подвектор обобщенных координат {я}ив> определяющий положение

элементов крана при работе механизмов изменения вылета и подъема, будет иметь вид:

{ч)ив=ЬРс,Р^Ус>Рх>У^гпд ]

Методика построения математических моделей свободных колебаний грузов на пространственных канатных подвесах разработана Л.Н. Орловым. Положение груза в неподвижной системе координат хгуг2г определяется тремя координатами хг, уг и гг его центра масс и тремя углами в, у/, (р (см.рис. 5), построение которых аналогично построению самолетных углов.

Рис. 5. Связь между координатами хгугггтл Подвектор обобщенных координат {д}2, определяющий положение груза по отношению к системе координат хгуг2г, в соответствии с работой будет иметь вид:

{?}, =[Хг,уг,2г,6,у/,(р]Т.

Вектор обобщенных координат, определяющий положение элементов крана с грузом при работе механизмов изменения вылета и подъема б_удет:

Ы=ЫАчит (4)

Таким образом, вектор {д} включает двенадцать обобщенных координат.

Используя уравнения Лагранжа второго рода, получим систему дифференциальных уравнений в матричном виде, описывающую движение элементов крана и груза при работе механизмов вылета и подъема:

где вектор обобщенных координат {<7} определяется в соответствии с (4). Структура полученных матриц [А] [В] и [С] представляется в виде:

Вектор обобщенных сил {Г} имеет вид:

{р}={О.САОДО.Я^ -Ма-М,-М2- М- - РГ • ир,-ми„

где Мм - усилие привода механизма изменепия вылета, приведенное к

тяговому органу, М0 - грузовой неуравновешенный момент, Ми - стреловой

неуравновешенный момент, - статический момент сопротивления

движению стрелы, - соответственно момент сил сопротивления

движению стрелы, определяемый ветровой нагрузкой на конструкцию СИВ в плоскости стреловой системы, и сила ветра на груз в плоскости стреловой системы, О - вес груза.

Все матрицы разбиты на блоки в соответствии с разбиением обобщенных координат по (4); порядок каждого из блоков (6X6). [а]г и [с]г представляют собой инерционную и квазиупругую матрицу груза на пространственном канатном подвесе. Элементы матрицы [с]г для грейферных и траверсной схем подвеса рассмотрены в работах А.Н. Орлова;

- диссипативная матрица груза. Модель позволяет проводить исследования при любых схемах подвесов груза, в том числе и при возможных ослаблениях подъемных канатов.

Матрицы [а], [#],и [с], - соответственно инерционная, диссипативная и квазиупругая, элементы которых зависят от угла наклона стрелы, и при фиксированном вылете они постоянны. Это обстоятельство дает возможность использовать модальные методы исследования.

Полученная система уравнений легко перестраивается. Так, для прямых стрел, когда координаты и равны нулю, новые уравнения движения получаются вычеркиванием из матриц соответствующих строк и столбцов.

На рис. 6 в качестве примера приведены результаты расчета нагрузки, изгибающей стрелу

Рис. 6 Нагрузка, изгибающая стрелу Fc; 1- расчет по выражению (2);

2- результат расчета математической модели.

В четвертой главе диссертации проведен анализ основных существующих программных комплексов на базе конечно-элементного метода. Данный анализ выявил два наиболее приемлемых варианта (для расчета использовались MSC - Nastran и Ansys). Программу MSC - Nastran отличает упрощенный интерфейс, большие возможности по исследованию стержневых моделей, доступная русскоязычная литература. Большие возможности реализации контакта программы Ansys, встроенный комплекс по расчету динамических расчетов LS — DYNA сделали данный пакет лидером в области твердотельного моделирования.

В рамках главы проведен статический расчет стержневой модели портального крана КПП 16(32/40)-32. Для исследования использовался программный комплекс MSC-Nastran. Данные приведены в сравнительной таблице, где также получены значения нагрузок по теоретическим

Nc Fe Fot Fp

Вылет 32 метра

Аналитически 5,993*105 5,617* 10* 2,526*10' 4,432*10'

МКЭ 6,37*105 4,73*10" 2,09*10' 3,9*10'

Вылет 20 метров

Аналитически 5,211*10' 4,665*101 1,177*10' 7,471*10'

МКЭ 4,502*101 5,068*10" 1,814*10' 7,53*10'

Вылет 15 метров

Аналитически 5,15*10' 2,455*10" 1,003*10' 6,323*10'

МКЭ 3,033*10' 2,289*10" 6,675*10" 5,82*10'

Вылет 10 метров

Аналитически 4,481*10' 3,213*10J 2,348*10" 3,993*10'

МКЭ 3,258*10' 3,812*10'' 3,088*10" 4.23*10'

Стержневая модель использовалась для исследования сейсмического пагружения. Расчет проводился- при исследовании отклика конструкции здания при землетрясении в 4 балла. Сейсмограмма представлена на рис.7 .

Рис.8. Расчетные узлы.

Расчетные точки рассматривались через каждую 0,01 сек. на протяжении 4 сек.

Следующим этапом работы стало исследование динамических нагрузок кранов мостового типа при сейсмических воздействиях. Работа проводилась совместно с кафедрой "Механика и процессы управления", работа проводилась под руководством проф. Боровкова А.И. и проф. Манжулы К.П. Исследование динамических характеристик, нагруженности проводилось на реальном кране атомной электростанции. Общий вид модели мостового крана с грузом представлен на рис.9.

Рис. 9. Общий вид модели мостового крана с грузом.

Определялись контактные давления и взаимные перемещения колес тележки относительно рельсов с грузом 13.7 тонн и без груза, а также распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в узле 1824 (см. рис.10) без груза и с грузом (13.7тонн, 137тонн).

Рис. 10. Исследуемые узлы 18124 и 18629.

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.

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 двухкомпонентном сейсмическом нагружении. Рассмотрено 400 расчетных точек на всей длительности сейсмограммы.

10. Получена тонкостенная конечно-элементная модель мостового

крана.

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

Возможна потеря контакта тележки и рельса при двухкомпонентном 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.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. 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.

2. С.А. Сидоров, Ким Ен Чер, К.П. Манжула, А.И. Боровков Конечно-

элементный анализ сейсмостойкости грузоподъемных кранов атомных электростанций // XXXI Неделя науки СП6ТПУ (Ш). Материалы межвузовской научной конференции 25-30 ноября 2002 года.

- Санкт-Петербург, 2003. с. 74-76.

3. 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. Лещинского. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2002. Вып.2. с. 31-35.

4. 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.

5. Е.Т. Ким, А.Н. Орлов Нагрузки на стреловую систему портальных кранов

// XXX Юбилейная неделя науки СПбГПУ (IV). Материалы межвузовской научной конференции 26 ноября - 1 декабря 2001 года.

- Санкт-Петербург, 2002. с. 60-62.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать СЦ. ЯСОУ, Объем впл.

Тираж /0<? Заказ ВО.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе ЯЫ-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-0»

tf>

4~í>964

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.

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".

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.

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.