автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Динамические нагрузки строительных самоходных гидравлических кранов с телескопической стрелой

Государственный комитет по высшему образованию Российской федерации

Московский Государственный Строительный Университет

на правах рукописи

ФАМ ХОНГ КУАНГ

ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ САМОХОДНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ КРАНОВ С ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СТРЕЛОЙ

Специальность 05.05.04 - Дорожные и строительные машины.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994 г.

Работа выполнена в Московском Государственном Строительном Университет

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники Р.Ф. доктор технических наук, профессор Волков Д.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор : Николаев С.Н. доктор технических наук, профессор : Плавельский Е.П.

Ведущая организация: ВКТИмонгажстроймеханизация.

Защита диссертации состоится Ц июня 1994 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета К.053.11.03 при Московском Государственном Строительном Университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, аудитория 507г (учебно-лабораторный корпус).

Телефон для справок: 183-53-83.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации просим направлять по адресу Университета.

Автореферат разослан мая 1994 г.

П.Е. Тотолин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы ¡развитие строительных стреловых самоходных кранов в последние годы идет по пути широкого использования в них гидропривода и телескопических стрел. Применение гидропривода позволяет более просто обеспечивать более широкое регулирование скоростей основных рабочих движений и необходимые посадочные скорости груза. Это способствует повышению их производительности и улучшает их монтажные качества. Гидропривод позволяет одновременно более просто создавать блочные конструкции механизмов привода кранов из унифицированных узлов, что ускоряет их создание, производство и повышает качество.

Гидропривод позволяет также автоматизировать работу кранов и создавать необходимые приборы их безопасной работы.

Применение на кранах телескопических (выдвижных) стрел существенно улучшает их монтажные свойства, упрощая технологию монтажных работ особенно в стесненных условиях.

Вместе с тем теория расчета этих кранов еще недостаточно полно разработана. В частности исследования по динамике этих кранов не получили пока надлежащего развития, что приводит во многих случаях к необходимости производства длительных настроечных работ по гидроприводу для обеспечения снижения динамических нагрузок и устранению причин появления колебаний резонансного характера.

Поэтому данная работа, посвященная исследованию динамики этих кранов, является весьма актуальной.

Цель работы : Совершенствование методов динамического расчета строительных самоходных гидравлических кранов с телескопической стрелой.

Основные задачи исследования :

- Разработать методику построения расчетных схем механизма подъема груза,телескопической стрелы и крана в целом как динамических систем при колебании их в вертикальной плоскости.

- Разработать математические модели для расчета основных динамических параметров механизма подъема стрелы и крана в целом при колебаниях их в вертикальной плоскости.

- Разработать методику и программы расчета основных динамических параметров механизма подъема груза, стрелы и крана в целом на ЭВМ с использованием метода вычислительного эксперимента.

- Дать анализ результатов исследований основных динамических параметров, выполненных применительно к наиболее распространенному типу строительного стрелового самоходного крана с гидроприводом грузоподъемностью 25т. и рекомендации по их расчету и совершенствованию конструкций.

Научная новизна :

- Предложена методика построения расчетных схем для механизма подъема груза,телескопической стрелы и крана в целом для оценки основных динамических параметров при колебаниях их в вертикальной плоскости.

-Предложены математические модели и разработаны программы для расчета основных динамических параметров стреловых самоходных кранов при колебаниях их в вертикальной плоскости.

-Предложена методика и программа для вычислительного эксперимента применительно к анализу влияния основных параметров крана на колебания динамической системы "Механизм подъема-стрела-груз".

Практическая ценность : Проанализированные расчетные схемы математические модели и проведеные расчеты позволили предложить упрощенные расчетные схемы, позволяющие достаточно просто и надежно анализировать величины динамических нагрузок в механизмах подъема и телескопической стреле крана в вертикальной плоскости.

Даны рекомендации по снижению динамических нагрузок за счет совершенствования механизмов привода.

Апробация работы: Основные предложения работы докладывались в 1993 и 1994г.г. на заседаниях кафедры строительных машин в МГСУ и в ВКТИмон¥ажстроймеха-низация.

Реализация работы : Работа выполнялась в соответствии с планами НИР МГСУ и ВКТИмонтажстроймеханизация. Результаты исследований переданы и используются в практике проектирования кранов в ВКТИмонтажстроймеханизация и в учебном процессе МГСУ при подготовке инженеров-механиков по специальности 1504 "Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении: отмечается актуальность исследования динамики гидравлических строительных самоходных кранов с телескопической стрелой. Излагаются основные положения диссертации, которые выносятся автором на защиту.

В первой главе приведен анализ конструкций гидравлических стреловых самоходных кранов с телескопической стрелой и методов расчета их основных параметров. Проанализированы основные исследования, выполненные в области динамики строительных машин и особенно строительных кранов с гидроприводом : работы Д.П.Волкова, А.А.Вайнсона, В.И.Брауде, А.А. Зарецкого, М.С.Комарова, С.А.Казака, К.К.Колесника, Е.Ю.

Малиновского, М.П.Ромашкина, В.П.Савельева,

О.А.Смирнова, Л.А.Соломатиной, A.M. Холодова и др.

В результате было установлено, что в проведенных ранее исследованиях динамики самоходных стреловых кранов с гидроприводом были освещены лишь ряд частных вопросов, касающихся в основном динамики гидропривода механизма подъема кранов, и динамики кранов с телескопическими стрелами при повороте платформы.

"" В проведенных исследованиях практически остались разработанными вопросы моделирования динамической системы "механизм подъема-стрела-груз" и крана в делом при колебаниях в вертикальной плоскости. Не рассмотрены вопросы возможного упрощенного представления системы "Механизм подъема-телескопическая стрела-груз" и пути снижения максимальных динамических нагрузок.

В результате были сформулированы основные задачи работы:

1. Разработать методику построения расчетных схем механизма подъема телескопической стрелы и крана в делом как динамических систем при колебаниях их в вертикальной плоскости.

2. Разработать математические модели и программы для расчета основных динамических параметров механизма подъема, стрелы и крана в целом в вертикальной плоскости.

3. Разработать методику и программы расчета основных динамических параметров механизма подъема, стрелы и крана на ПЭВМ с использованием метода вычислительного эксперимента.

4. Дать анализ результатов исследования основных динамических параметров, выполнив их применительно к наиболее распространенному типу строительного стрелового самоходного крана с гидроприводом и телескопической стрелой грузоподъемностью 25т (на примере крана МКА-25, спроектированного ВКТИСтроймеханизация) и рекомендации по их расчету и совершенствованию конструкции.

Во второй главе на основе анализа массовых и жесткостных характеристик для гидравлических стреловых самоходных кранов с телескопической стрелой предложены ряд расчетных схем для изучения их колебаний в вертикальной плоскости под действием внешних нагрузок от механизма подъема груза.

Для рассмотрения колебаний крана в делом на гидравлических опорах он представлен в виде пятимассовой расчетной упругой динамической системы, состоящей из массы груза пц, массы нижней невыдвижной части стрелы Ш2, массы выдвижных (телескопических) частей стрелы Ш2', массы крана без стрелы, сосредоточенной в центре тяжести крана тз и массы механизма привода подъема , приведенной к канату лебедки подъема ш4.

В качестве основных упруго-демпферных элементов с жесткостями С] и коэффициентами демпфирования Г| были приняты:

-полиспаст подъема груза (С[ и г^ );

-выдвижные (телескопируемые) части стрелы с учетом жесткости и демпфирующих свойств механизма выдвижения (С2 и гз);

-цилиндры подъема и опускания стрелы (С3 и Г3) и приведенные жесткости и демпфирующие свойства четырех гидравлических опор, учитывающие жесткость и демпфирующие свойства опорных гидроцилиндров, грунта под опорой и изгибные жесткости выдвижных опорных балок (С4ТС4 и Г17Г4).

Для рассмотрения колебаний упругой динамической системы "Стрела-груз" в вертикальной плоскости с учетом изгибных колебаний стрелы была принята трехмассовая расчетная схема, состоящая из массы груза Ш], массы нижней невыдвижной части стрелы Ш2 и массы выдвижной части стрелы п^'.

7

( - - *

В качестве основных упруго-демпферных элементов приняты соответственно значения Cj и гj, С2 и г2, С3 и г3.

Колебания такой расчетной схемы описывались системой трех дифференциальных уравнений второго порядка:

Xjmj + Cj [х, - L(f2 +^20)со5°<1 + rt [х, - L(v'2 + <P20)coso<] - m¡g = О

J20^20 " <С1 lxl - +</20)coSí4 +

г, [х, - L(<f2 +^20)cosoc]}hi - m^gh, + Мпр +

(C2L<f20cos6 + r2L^20cos«Oh2= О

32Ц2 - m2gh2 + tCjLo^sinífi-cC) + r2L<)^'2sin($ -<\) ] h3

- (C2L f20cose + r2L^20cos O)h20 = 0 (1)

Где кроме уже известных параметров обозначены: X1 - перемещение груза ( массы и^ ); "С ~ угол наклона стрелы к горизонту; Ь - длина всей стрелы; Г.ф - расстояние от оси пяты стрелы до точки

крепления к ней штока гидроцилиндра подъема; ^ - угол поворота стрелы от своей оси под действием

веса груза на крюке; 1Р2й- угол поворота центра головных блоков стрелы центра (массы т2) от оси стрелы, определяемой углом (оС -4*2 ) ;

- угол наклона оси цилиндров подъема к горизонту; й[ - расстояние от оси пяты стрелы до оси полиспаста

подъема груза;. Ь3 - расстояние от оси пяты стрелы до оси

гидроцилиндра подъема стрелы; Ь2 - расстояние от центра тяжести нижней части стрелы до пяты стрелы;

Ь20 - расстояние (перпендикуляр) от центра пяты стрелы до направления деформированной оси верхней части стрелы под собственным весом;

Л 2 - момент инерции нижней части стрелы относительно ее пяты;

12о - момент инерции верхней-выдвижной части стрелы относительно ее пяты;

Мпр - момент от усилия в канате наматываемом на барабан относительно центра пяты стрелы.

Для анализа этой системы уравнений были составлены алгоритм и программа расчета на ЭЦВМ РС/АТ-386.

Для рассмотрения колебаний упругой динамической системы "Стрела-груз" без учета изгибных колебаний стрелы была принята более простая - двухмассовая расчетная схема, состоящая из массы груза т15 и массы стрелы т2, обладающей относительно пяты стрелы моментом инерции 1стр.

Колебания стрелы и груза по такой расчетной схеме описывались системой из двух дифференциальных уравнений второго порядка

п^х, - С,(Х[ - Ь^соэис) - г, (х1 - Ь^соз^)

+ т^ = О

'сгД + [СзЦ^ЫР-Ч) + -

мпр = 0

(2)

Для анализа этой системы уравнений были составлены алгоритм и программа расчета на ЭВМ РС/АТ-386.

Проведенный анализ массовых, жесткостных и частотных характеристик показал, что во многих случаях, особенно для кранов небольшой и средней грузоподъемности для анализа колебаний механизма подъема и оценки влияния на величину динамических нагрузок различных параметров и особенно характеристик привода, возможно упрощенное его представление в виде двухмассовой системы, состоящей из массы груза п^ и массы привода т4, соединенных упруго-демпферным элементом, обладающим приведенной жесткостью и демпфирующим коэффициентом

Р В этом случае колебания механизма подъема будут описываться следующей системой двух дифференциальных уравнений второго порядка

й2х4

Рпр + т4 " - гпр<*4 - *1> - Спр<х4 - X,) = О й\г

с1 2Х4 (3)

спр<х4 - х1> - т4~— + гпр(х4 - *,) - <3, - о

сН"2

где - вес груза с грузозахватным устройством;

Рпр- усилие, действующие на канаты полиспаста от гидромотора или тормоза, определяемое как

2Мк(т)л

Рпр -----------к (4)

Дг-2

где Мк или Мт- крутящий момент, обеспечиваемый гидромотором или тормозом на валу гидромотора; 1 - передаточное отношение редуктора привода барабана подъема; - диаметр барабана;

К - кратность полиспаста подъема груза;

- общий КПД редуктора привода и блоков полиспаста;

Величина приведенной к полиспасту подъема инерционной массы от механизма привода определится как

т4 = ^р^/Б^ (5)

где 1пр - приведенный к валу гидромотора момент инерции всех вращающихся частей механизма привода подъема.

Динамические нагрузки в полиспасте определяются как

Pg=Cnp Х1> (6)

где кх4 - перемещение каната, наматываемого на барабан лебедки.

Величина Спр может быть выражена как 1111

--------+ — + — (7)

С-пр Cj с2 с3

В демпфирующем коэффициенте гпр должны быть также суммированы демпфирующие способности механизма привода, цилиндра подъема стрелы, стрелы и ее механизма вьедвижения.

Для исследования системы дифференциальных уравнений (3) предложена программа расчетов на ЭВМ РС/АТ-386.

В третьей главе рассмотрены методы планирования экспериментов и их приложение к исследованию динамики машин на ЭВМ.

На основании проведенных исследований различных видов статистических моделей исследования динамических процессов на ЭВМ были проанализированы их основные достоинства и недостатки.

Была составлена программа и выполнено исследование динамики для системы "Стрела-груз" методами вычислительного эксперимента на примере крана МКА-25 с вариацией жестокостей полиспаста подъема груза и гидроцилиндра подъема стрелы, а также массы поднимаемого груза во всех возможных диапазонах.

Проведенный анализ показал на перспективность применения метода вычислительного эксперимента при решении статистических задач динамики кранов.

В четвертой главе изложены результаты проведенных исследовании динамических нагрузок применительно к гидравлическому автомобильному крану МКА25 с телескопической стрелой грузоподъемностью до 25т.с. и длиной стрелы, изменя-ющейся от 9 до 22,8 м.

Приведены данные сравнительных расчетов, выполненных по предложенным во второй главе различным расчетным схемам и соответствующим программам на ЭВМ РС/АТ-386, позволяющим представлять изменение динамических нагрузок не только по таблицам, но и непосредственно по графикам изменения во времени.

Полученные материалы расчетов позволили проанализировать не только величину динамических нагрузок, но и основные частоты проявляющихся колебаний для стрелы и груза в вертикальной плоскости.

Проведенные сопоставления результатов определения динамических нагрузок по различным расчетным схемам позволили сделать рад выводов и рекомендаций как по использованию расчетных схем, так и по совершенствованию механизмов подъема для обеспечения снижения динамических нагрузок. Основные из этих выводов и рекомендаций приводятся ниже в общих выводах.

Эти исследования показали также на возможность использования для кранов малой и средней грузоподъемности при сравнительно небольших длинах стрел (до 30-32м) достаточно простой зависимости для определения максимальных динамических нагрузок в механизме (полиспасте) подъема крана при подъеме груза с основания с подхватом, следующей зависимости:

где Ргшах и Рст - максимальная динамическая и

статическая нагрузка в полиспасте подъема груза; п^ и т4 - масса груза и масса привода, приведенная по формуле (5) к полиспасту;

Спр - приведенная жесткость механизма подъема, определяемая по формуле (7); у0 - скорость обоймы полиспаста подъема, получаемая при выборе приводом провиса канатов подъема. Она не может превышать номинальную скорость подъема груза.

Проведенные исследования динамики Строительных самоходных гидравлических кранов с телескопической стрелой в вертикальной плоскости позволяет сделать следующие основные выводы и рекомендации,

1. Гидравлические самоходные стреловые краны с телескопической стрелой на автомобильном и пневмоколесном шасси благодаря своей мобильности, маневренности и улучшения их монтажных качеств путем выдвижения секций стрелы в последние годы находят все большее применение в строительстве.

(8)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

2. Проведенные ранее исследования вопросов динамики гидравлических самоходных строительных кранов с телескопической стрелой носят весьма ограниченный и разрозненный характер и не охватывают вопросов анализа и выбора расчетных схем кранов и его элементов как упругих динамических систем, а также анализа степени влияния их основных динамических параметров на колебания и динамические нагрузки.

3. При анализе колебаний груза и стрелового оборудования и действующих динамических нагрузок в механизме подъема и стреле в процессе подъема и опускания грузов для гидравлических кранов небольшой и средней грузоподъемности (до 40 т.е.) при максимальных длинах телескопических стрел до 30-32 м. при незначительной погрешности допустимо предоставление динамической системы "механизм подъема-стрела-груз" в виде двух-массовой упругой динамической системы, состоящей из приведенных к полиспасту подъема массы механизма привода и массы груза и упругого элемента между ними с приведенной к полиспасту подъема суммарной жесткостью и преведенном коэффициентом демперирования.

В приведенных значениях жесткости и коэффициенте демперирования должны быть учтены жесткости канатов полиспаста подъема груза, гидроцилиндра подъема стрелы, механизма выдвижения телескопируемых частей стрелы и изгибная жесткость стрелы в вертикальной плоскости.

В этом случае динамическая система описывается системой из двух дифференциальных уравнений второго порядка, для анализа которых в работе предложены алгоритм и программа расчетов на ЭЦВМ.

4. Для кранов большой грузоподъемности (более 40 т.) и длинах телескопических стрелах более 32 м.в расчетных схемах при анализе колебаний стрелы и груза в вертикальной плоскости и динамических нагрузок в механизме подъема груза и стреловом оборудовании следует учитывать дополнительно колебания стрелы.

В этом случае колебания динамической системы "Механизм подъема-стрела-груз" описывается уже

-Л Т »,11., V ЦТОРПГО

порядка, для анализа которых в работе предложены алгоритм и программа расчетов на ЭЦВМ.

5. Наибольшие амплитуды колебаний груза и стрелы в вертикальной плоткости и динамические нагрузки в механизме привода подъема и стрелового оборудования имеют место обычно в процессе подъема груза с основания с подхватом, когда имеется провис канатов полиспаста подъема, а также при торможении опускающего груза с помощью тормоза. Величина амплитуды колебаний груза и стрелы, возникающих при подъеме груза с основания с подхватом пропорциональна скорости канатов полиспаста, которую они получают при выборе провиса. Предельная его величина может достигать номинальной скорости подъема груза. При этом коэффициенты динамической нагрузки применительно например к параметрам крана МКА-25 могут достигать значений Кд мах = 1,6-1,75.

6. Для снижения динамических нагрузок при подъеме груза с подхватом необходимо обеспечивать автоматическое регулирование скорости вращения гидромотора при выборе провиса канатов полиспаста, независящие от работы машиниста крана. При этом целесообразно добиваться, чтобы к концу выбора провиса перед подхватом груза скорость гидромотора и соответственно канатов полиспаста была малой, а после подхвата груза она быстро возрастала до номинальной. Такое регулирование может обеспечить минимальные динамические нагрузки без существенного увеличения рабочего цикла крана и соответственно снижения его производительности.

7. Для уменьшения динамических нагрузок при пуске механизма подъема когда груз находится на весу (на тормозе) необходимо добиваться плавного нарастания избыточного момента на гидромоторах в пределах примерно 0,25 ... 0,6 сек. соответственно для кранов малой и большой грузоподъемности.Целесообразно,чтобы величина пускового момента была не более 1,3 от номинального.

8. Для обеспечения уменьшения динамических нагрузок при торможении спускающегося груза с помощью тормоза или гидродвигателя их избыточный тормозной момент также должен нарастать до своей максимальной величины плавно в течении 0,3...0,8 сек. соответственно для кранов малой и большой грузоподъемности.

9. Для обеспечения наиболее быстрого затухания колебаний груза и стрелы, возникающих при пусках и торможениях механизмов подъема, что важно для улучшения монтажных качеств кранов, необходимо стремиться к увеличению демпфирующих способностей гидропривода механизма подъема груза, выдвижения секций стрелы и цилиндра подъема стрелы.

10. Предложенная методика и программы для расчета колебаний и динамических нагрузок для механизма подъема и стрелы гидравлических самоходных строительных кранов с использованием методов вычислительного эксперимента позволяют проводить статистический анализ влияния основных динамических параметров и приблизить результаты динамических расчетов к результатам, получаемым при натурных экспериментах.