автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Метод обеспечения устойчивости башенных кранов при действии случайных ветровых нагрузок

На правах рукописи

Мишин Алексей Владимирович

Метод обеспечения устойчивости башенных кранов при действиислучайных ветровых нагрузок

Специальность

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ОКТ 2014

Москва —2014 005553425

005553425

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы»

Научный руководитель Сорокин Павел Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кузьминов Александр Леонидович, доктор

технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Череповецкий государственный университет», директор инженерно-технического института

Обыденов Валерий Анатольевич, кандидат технических наук, Закрытое акционерное общество «Производственная компания «Химсервис» имени A.A. Зорина», г. Новомосковск, Тульской обл., инженер-конструктор

Ведущая организация Общество с ограниченной ответственностью

научно-производственное предприятие «Подъемтранссервис»

Защита состоится 19 ноября 2014 г., в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан « 1. » 0»< ХЯ-Зря. 2014 г. Ученый секретарь - у —

диссертационного совета , у ^ у ' , ' .Воронин Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При эксплуатации башенных кранов главным критерием является обеспечение безопасности за счет сохранения их устойчивости при неблагоприятных внешних воздействиях. Одной из причин падений башенных кранов является переменное по амплитуде и частоте случайное динамическое ветровое воздействие. Среди нагрузок, действующих на башенные краны, преобладающей является ветровая нагрузка. Ветровая нагрузка зависит от наветренной площади конструкции и скорости ветра. Процесс изменения скорости ветра характеризуется средним значением скорости — статической составляющей, и порывами -динамической составляющей. Ветровое воздействие представляет собой случайный процесс. Порывы, возникающие со случайной повторяемостью с различной энергией, увеличивают опрокидывающий момент и вызывают дополнительное нагружение металлоконструкций башенных кранов. Поэтому обеспечение устойчивости башенных кранов при действии случайных динамических ветровых нагрузок является актуальным.

Объектами исследования являются передвижные рельсовые и стационарные опорные башенные краны с балочной стрелой с поворотной и неповоротной башней, а предметом исследования — анализ устойчивости башенных кранов при случайных динамических ветровых воздействиях.

Цель работы заключается в обеспечении безопасной эксплуатации башенных кранов при случайных динамических ветровых воздействиях на основе учета их спектрального состава и применения нейросетевых алгоритмов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

- провести анализ существующих приборов и устройств безопасности для контроля устойчивости башенных кранов;

- выполнить исследование случайного динамического воздействия ветра на основе спектрального анализа;

- выполнить исследование резонансных явлений в металлоконструкции башенных кранов при случайном динамическом воздействии ветра;

- разработать способ и систему обеспечения устойчивости башенных кранов на основе нейросетевых и логических алгоритмов.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории устойчивости грузоподъемных кранов, методы теории случайных процессов и цифровой обработки сигналов, модальный анализ на основе метода конечных элементов, методы теории искусственных нейронных сетей и автоматического управления. Для расчетов применялись программные комплексы ANSYS и MATLAB, программирование производилось в среде CoDeSys, блок-схемы оформлены в Microsoft Visio.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты спектрального анализа случайного динамического воздействия ветра;

рекомендации для исключения резонансных явлений в металлоконструкции башенных кранов при случайном динамическом воздействии ветра;

- метод обеспечения устойчивости башенных кранов на основе нейросетевых и логических алгоритмов.

Научная новизна диссертации заключается в учете спектрального состава случайных динамических ветровых воздействий при оценке устойчивости башенных кранов и исключении влияния резонансных явлений.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием положений теории устойчивости грузоподъемных кранов, адекватностью разработанных моделей реальным процессам.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные технические решения:

- обеспечивают устойчивость башенных кранов при динамических ветровых воздействиях;

- повышают уровень безопасности за счет сокращения аварий башенных кранов, вызванных динамическим воздействием ветра;

- позволяют сократить затраты на ликвидацию последствий от аварий башенных кранов;

- позволяют использовать методику исключения резонанса при проектировании башенных кранов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы» Московского государственного университета путей сообщения; на 16, 17 и 18-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» 2012, 2013, 2014 г.г.- на 13 научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МИИТ 2012 г.; на 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие образования, науки и технологий» ТугГУ 2012г-на 17 -й очно-заочной Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» ТулГУ 2012 г.; на 5 и б-й Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» МГТУ им. Н.Э. Баумана 2012,2013 г.г.

Работа коллектива авторов в составе: Мишин A.B., Хряков К.С., Чан Дык Хиеу «Метод и технические средства управления динамической устойчивостью стационарных башенных кранов» участвовала в 12-й Всероссийской выставке научно-технического творческого молодежи

«НТТМ-2012» , проходящей на ВВЦ 26 - 29 июня 2012 года. Работа отмечена золотой медалью выставки.

Работа коллектива авторов в составе: Хряков К.С., Мишин А.В. «Способ обеспечения устойчивости башенных кранов от опрокидывания» участвовала в 13-й Всероссийской выставке научно-технического творческого молодежи «НТТМ-2013», проходящей на ВВЦ 25 - 28 июня 2013 года. Работа отмечена фантом второй степени.

Работа коллектива автора в составе: Мишин А.В., Хряков К.С., Колесников К.В. «Обеспечение устойчивости башенных кранов» участвовала в 14-й Всероссийской выставке научно-технического творческого молодежи «НТТМ-2014», проходящей на ВДНХ 24 - 27 июня 2014 года. Работа отмечена медалью «Лауреат ВВЦ».

Диссертация выполнена при поддержке гранта РФФИ «офи_м_РЖД», тема № 12-08-131248/12.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 8 статей, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК, 10 тезисов докладов. Получено решение о выдаче патента РФ № 2012153943, подана заявка на патент РФ № 2012153944.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 74 рисунка и библиографию из 96 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена ее структура, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе представлена статистика падений башенных кранов из-за экстремальных ветровых воздействий и обзор существующих приборов и устройств безопасности, проведен анализ нормативных документов по расчету грузоподъемных кранов на воздействие ветра и дан обзор научных работ, посвященных исследованиям воздействия ветра. Отмечены недостатки в нормативных документах и научных работах, проведенных ранее.

Исследованиям воздействия ветра посвящены научные работы как отечественных, так и зарубежных ученых: Барштейна М.Ф., Бирбраера А.Н., Благоева В.Л., Григорьева Н.И., Ерофеева Н.И., Зарецкого А.А, Зубко Н.Ф., Когана И.Я., Невзорова Л.А., Обыденова В.А., Подобеда В.А., Подобед Н.Е., Савицкого Г.А., Сиротского В.Ф., Сорокина П.А., Спициной Д.Н., Чан Дык Хиеу, Davenport A.G., Scanlan R., Simiu E., Whitbread R.E. и других исследователей.

В работе рассматриваются вопросы случайного динамического воздействия ветровых нагрузок с целью защиты башенных кранов от недопустимых колебаний и разрушений и вопросы разработки системы

обеспечения устойчивости с целью предотвращения опрокидывания башенных кранов.

По нормам динамическая составляющая ветровой нагрузки учитывается введением коэффициента динамичности для учета возможных пульсаций скорости ветра. Отсутствие в нормах рекомендаций для учета возникновения резонансных явлений, вызванных динамическим воздействием ветра, является их недостатком. При изменении скорости ветра возможны порывы, частотный состав которых близок к резонансным частотам металлоконструкции.

Целесообразно рассматривать скорость ветра в функции времени, т.к. нагрузка, обусловленная скоростью, является импульсной и действует циклически со случайной повторяемостью. Поэтому ветровое воздействие необходимо рассматривать в качестве случайного процесса, средняя мощность которого распределена по частотным компонентам.

Другим недостатком норм является допущение квазистационарности скорости ветра. При изменении скорости ветра возможны порывы, значения которых превышают допустимые. В этих случаях учет рекомендуемого коэффициента динамичности недостаточен для сохранения устойчивости башенных кранов из-за увеличения опрокидывающего момента.

Исходя из этого, вопрос сохранения устойчивого положения башенных кранов при силовом ветровом возбуждении остается нерешенным.

Условием сохранения безопасности является обеспечение устойчивости башенных кранов при действии на него недопустимо высоких по скорости, продолжительности и частоте следования порывов.

Предпринимаемые пути обеспечения устойчивости башенных кранов сводятся к изменению физических параметров - увеличение массы балласта, противовеса и применение стабилизирующих устройств, а также к применению приборов безопасности. В первом случае увеличивается металлоемкость конструкции, ее стоимость, увеличивается время монтажа/демонтажа и его сложность. Во втором случае, используемые штатные приборы безопасности ОНК-160Б и (ЭГМ-240 обеспечивают лишь регистрацию опасной скорости ветра.

Поэтому проектирование системы обеспечения устойчивости башенных кранов с функцией прогнозирования скорости и направления ветра является актуальным.

Во второй главе на основе проведенных автором измерений показан динамический характер ветра и представлен спектральный анализ ветрового воздействия.

Учитывая, что нагрузка на металлоконструкцию башенных кранов от ветра обусловлена скоростью, то покажем ее компоненты. Скорость ветра представляют в виде суммы статической и динамической составляющих: Р(0 = ? + Д|7(0, (1)

где V — средняя скорость ветра;

Ди(С) - отклонение скорости ветра от среднего значения (порыв или пульсация).

Динамическое воздействие ветра на башенные краны характеризуется амплитудой порывов, их длительностью и частотой следования. По многочисленным наблюдениям длительность порыва составляет Гпор = 0,5 — 5 с.

Динамическое воздействие ветра из-за порывов является случайным и характеризуется распределением энергии порывов по частотным составляющим.

Пульсации мгновенной скорости ветра представляет собой множество гармонических составляющих, поэтому формулу (1) можно записать в виде:

v(t') = V + 2"=1 Ъ где аг — коэффициент разложения г-й гармонической составляющей;

0)1 - круговая частота /-й гармонической составляющей.

Устойчивость конструкции башенных кранов определяется резким изменением средней скорости ветра, возникновением энергоемких порывов и резонансными характеристиками конструкции.

Для корректной оценки воздействия ветра на металлоконструкцию башенного крана достаточно фиксировать мгновенную скорость ветра с шагом дискретизации Дt < 3 с.

С одной стороны, отдельные порывы и совокупность следующих друг за другом порывов вызывают дополнительный динамический момент, который влияет на устойчивость башенных кранов. С другой стороны, частотный состав порывов, обусловленный динамическим характером ветра, вносит вклад в колебания металлоконструкции башенных кранов.

В результате проведенных натурных экспериментов на высотной метеорологической мачте ВММ-310 в г. Обнинске получены реализации изменения параметров ветра — скорости и направления. На основе измеренных данных рассчитаны спектральные плотности мощности (энергетические спектры) порывов с помощью методов спектрального анализа. Спектральный анализ проведен в программном комплексе МАТЬАВ с помощью быстрого преобразования Фурье.

Для оценки динамического воздействия ветра рассмотрены короткие фрагменты реализаций с порывами, измеренными с частотой дискретизации А/ = 1 Гц, а затем рассмотрены усредненные фрагменты реализации.

В частотном диапазоне /пор =0 — 0,5 Гц определены характерные максимумы энергии порывов (рисунок 1).

1,80

1 "1,40

Б

£> « 1,00 5 §0.80

о ^

2 £ о,бо 5 "

о £°.40

3 § 0Д0 и

0,00

— X I

- _

-

-

— - _

-

е

1ш ■а ¿1 ЙЛ и у,

8 83

- - - Ч Ч Ч ~ — — — — Г4 Л М М, « « Г- С, Л Г С. Т 7 ч т гг

оос2ооооооосооооооооосаооос?©*о* Частота. Гц

Рисунок 1 - Спектральная плотность мощности пульсации скорости ветра

Далее проведены измерения с частотой дискретизации Д/ = 20 Гц для детального изучения динамического воздействия порывов ветра на металлоконструкции башенных кранов. Это необходимо потому, что период регистрации = 1 с больше чем время изменения скорости ветра. Следовательно, проявляется эффект сглаживания, не позволяющий определить все составляющие порывов ветра. Кроме этого, измерения с более высокой частотой позволяют найти больший диапазон частот в энергетическом спектре.

В частотном диапазоне /пор = 0-10 Гц определены характерные максимумы энергии порывов (рисунок 2). Данные измерения позволяют получить более подробную информацию о наличии в энергетическом спектре опасных частот для металлоконструкции башенных кранов.

0.5 0,45

1 §035 ■о 55

о а ОД

о 5

. 5 5 0,15 я о О £Х 0,1

2 о

* О.»'

I !

I :

)

—1—

|

1

1 1 ,1 1 г~г~ 1

1 1 и 1-1 1 1 $ 1

1 1км к Л Л 1 к А 4» лМ с

сГо О О" ~ — — Ч Ч ч Ч гЧ Ч Ч Ч Ч -Т* «-Г ^ и-Г 6 Ч ч г-" ■у' оЗ'оСсГ^*

Частота, Гц

Рисунок 2 - Спектральная плотность мощности пульсации скорости ветра

В третьей главе проведен модальный анализ металлоконструкции башенного крана КБ-415, показана возможность возникновения резонансных явлений в металлоконструкции при динамическом воздействии ветра и даны рекомендации для исключения резонанса.

При оценке воздействия ветра на башенные краны учтены колебания их металлоконструкции, как основного тона, так и множества собственных форм, по которым возможны резонансные колебания по характерным формам.

С этой целью в программном комплексе АИБУБ проведен модальный анализ на основе метода конечных элементов. Объектом исследования является башенный кран 4-ой размерной группы с поворотной башней с балочной стрелой КБ-415. В программном комплексе построена

трехмерная модель башенного крана в масштабе 1:1 с учетом реальных сечений элементов конструкции, их масс и материалов, создана балочно-оболочечная упорядоченная конечно-элементная сетка, введены граничные условия в виде ограничений степеней свободы и проведен модальный анализ с предварительным нагружением т.е. с учетом статических весовых нагрузок. Модель состоит из 2027 конечных элементов, связанных 3394 узлами. Сначала расчет проводился без учета груза на разных вылетах крюка. Далее с грузом согласно грузовой характеристике. Затем расчет выполнен при условии передвижения грузовой тележки с массой груза 1,5 т и 4 т (согласно грузовой характеристике) по стреле. На рисунке 3 представлен спектр собственных частот при передвижении грузовой тележки с массой груза 1,5 т по стреле.

Номер собственной частоты

■ при вылете 5 м с грузом 1,5 т ■ при вылете 25 м с грузом 1,5 т э при вылете 50 м с грузом 1,5 т Рисунок 3 — Спектр собственных частот с грузом 1,5 т при передвижении

грузовой тележки

Перемещение грузовой тележки с грузом по стреле слабо влияет на спектр собственных частот = 0,001 — 0,2 Гц), т.к. масса груза мала по сравнению с массой металлоконструкции.

Учитывая, что вычисленная низшая собственная частота /с = 0,126 — 0,130 Гц сделаем вывод: некоторые частоты порывов энергетического спектра (/пор < ОД Гц) не попадают в область резонансных частот, а другие (/пор ^ ОД Гц) - попадают и способны вызвать вынужденные колебания. По энергетическим спектрам видно, что основная доля энергии порывов сосредоточена в частотном диапазоне /пор = ОД — 1,0 Гц, хотя бывают и составляющие /пор = 2 Гц и /пор = 3 Гц.

Сравним значения собственных частот с пиковыми частотами порывов различных энергетических спектров (таблица 1).

Таблица 1

Соотношение собственных частот и частот порывов_

Собственные частоты, Гц Частоты порывов, Гц (04.06.2010 г.) Частоты порывов, Гц (11.05.2010 г.) Частоты порывов, Гц (25.08.2010 г.) Частоты порывов, Гц (07.10.2012 г.) Частоты порывов, Гц (02.12.2013 г-)

0,13 0,01 0,02 0,02 0,02 0,06

0,22 0,03 0,04 0,05 0,11 0,12

0,25 0,04 0,07 0,09 0,15 0,22

0,75 0,05 0,12 0,10 0,23 0,30

0,97 0,08 0,15 - 0,30 0,39

0,98 0,10 0,18 - 0,33 0,61

1,00 0,12 0,24 - - 0,79

1,02 0,13 031 - - 1,00

1,03 0,21 0,41 - - 1,48

1,05 - - - - 2,03

1,40 - - - - -

1,43 - - - - -

1,56 - - - - -

1,75 - - - - -

Примечание: Прочерк (-) означает, что в энергетическом спектре нет частот порывов, способных вызвать колебания башенного крана; Полужирным шрифтом отмечены варианты совпадения или близкого расположения собственной частоты и частоты порывов.

По выполненным расчетам энергетических спектров и спектров собственных частот можно сделать вывод, что возможны случаи попадания частот порывов ветра в области собственных частот металлоконструкции

башенного крана. В результате генерируются вынужденные незатухающие колебания, которые увеличивают возможность опрокидывания или разрушения башенного крана.

Возможны три варианта решения проблемы резонансных явлений.

Первый вариант заключается в отстройке собственных частот от частот пульсаций. Собственная частота конструкции зависит от ее массы и жесткости. Масса конструкции - постоянная величина, а жесткость зависит от расположения тележки на стреле. При определенном соотношении массы груза и массы металлоконструкции (тф = тмк) при соблюдении критериев прочности и жесткости металлоконструкции, можно изменять собственные частоты путем изменения вылета крюка. На способ и устройство отстройки собственных частот получено решение о выдачи патента РФ по заявке № 2012153943. Способ и устройство разработаны для башенных кранов с балочной стрелой с поворотной и неповоротной башней.

На рисунке 4 представлена структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ, где 1 - программируемый логический контроллер (ПЛК); 2 - панель оператора; 3 - анализатор спектра; 4 - система сбора данных; 5 - датчик скорости ветра; 6 - привод изменения вылета.

Рисунок 4 — Структурная схема устройства

Перед началом эксплуатации башенного крана в память ПЖ (1) записывают значения собственных частот колебаний металлоконструкции башенного крана, полученные предварительно из модального анализа. Оценка спектрального состава случайного ветрового воздействия на металлоконструкцию крана производится с помощью анализатора спектра реального времени на основе регистрируемых значений датчика скорости ветра (5). В штатном режиме при отсутствии в спектрах нагружений, определенных анализатором спектра, опасных частот на панели оператора (2) выводится сообщение о нормальном режиме работы. При приближении одной из частот собственных колебаний к одной из частот порывов, происходит регистрация события об аварийной ситуации на карту памяти ПЛК (1) с резервной копией на карту памяти панели оператора (2). Далее выводится индикация на панели оператора (2), включается сирена, и ПЛК (1) на основе алгоритма формирует сигнал для приведения в действие противоугонных захватов (для передвижных башенных кранов), а также

сигнал, поступающий на привод изменения вылета (6), для изменения жесткости металлоконструкции, в результате изменяя собственные частоты колебаний металлоконструкции башенного крана.

Второй вариант заключается в разработке системы контроля вынужденных колебаний, которая состоит из группы датчиков вибрации, устройства нормализации и преобразования сигнала, устройства фильтрации, регистратора данных с функцией «сухого контакта» (рисунок 5).

Рисунок 5 — Структурная схема системы контроля вынужденных колебаний

Датчики вибрации монтируются по высоте башни через каждые 10 м. Это обусловлено тем, что возбуждаемые вынужденные колебания могут происходить по разным собственным формам и поэтому необходимо отслеживать колебания конструкции на разных ее отметках. Регистратор данных установлен в шкафу управления на ходовой раме башенного крана. При возникновении резонанса возбуждаются колебания металлоконструкции с увеличивающимся ускорением. Данное событие фиксируется регистратором и при превышении ускорения значения уставки происходит срабатывание «сухого контакта» регистратора, что является сигналом для включения противоугонных захватов и выключения всех приводов.

Третий вариант заключается в проектировании металлоконструкции башенного крана с распределением масс и жесткостей, обеспечивающих значение первой собственной частоты /с > 3 Гц.

В четвертой главе предложены способ и система обеспечения устойчивости башенных кранов на основе нейросетевых и логических алгоритмов.

Способ (заявка на изобретение РФ № 2012153944) заключается в обеспечении устойчивости башенных кранов от опрокидывания при воздействии динамической ветровой нагрузки. Способ основан на нейросетевом алгоритме и логическом алгоритме. Нейросетевой алгоритм используется для прогнозирования значений направления и скорости ветра. А логический алгоритм — для сравнения скорости с предельно допустимым значением и выдачи команды управления на приводы для корректировки положения стрелы до достижения опрокидывающего момента критического значения. Способ разработан для башенных кранов с балочной стрелой с поворотной и неповоротной башней.

Предложенный способ иллюстрируется рисунком 6, где 1 - ПЛК; 2 -плата расширения; 3 — панель оператора; 4 - датчик скорости ветра; 5 -

датчики направления ветра; 6 - датчик положения стрелы; 7 - датчик вылета крюка; 8 - датчик высоты подъема; 9 - привод поворота; 10 - привод изменения вылета.

Рисунок 6 — Структрурная схема способа

Основу способа составляют алгоритмы с использованием искусственных нейронных сетей (ИНС) и булевой логики.

Идея способа заключается в следующем: с начала эксплуатации башенного крана происходит регистрация показаний скорости и направления ветра и предварительно обученная ИНС на основе имеющейся базы данных параметров ветра продолжает обучаться на регистрируемых значениях, прогнозирует будущее значение скорости и направления ветра. В штатном режиме при скорости ветра меньше критической для рабочего состояния на панели оператора (3) выводится сообщение о нормальном режиме работы. При прогнозировании опасного порыва (превышающего допустимую скорость) и его направления происходит регистрация события об аварийной ситуации на карту памяти ПЛК (1) с резервной копией на карту памяти панели оператора (3). Далее выводится индикация на панели оператора (3), включается зуммер и аварийная лампа в кабине машиниста, включается звонок громкого боя на стреле. Затем ПЛК (1) формирует сигнал для приведения в действие противоугонных захватов (для передвижных башенных кранов) и сигнал управления, поступающий на привод поворота (8) и/или привод изменения вылета (9), для корректировки положения стрелы (для уменьшения угла рассогласования) согласно прогнозируемому направлению порыва ветра на основе датчиков (4,5,6,7,8).

В нерабочем состоянии башенного крана система продолжает функционировать за счет питания от дополнительного источника. При этом продолжается пополнение базы данных скоростей ветра, что повышает точность прогноза в рабочем состоянии.

Система обеспечения устойчивости состоит из подсистемы сбора информации, подсистемы нейросетевого прогнозирования и подсистемы управления приводами (рисунок 7).

Рисунок 7 - Структурная схема системы обеспечения устойчивости башенного крана

Существующая подсистема сбора информации состоит из датчиков: скорости ветра; положения стрелы; высоты подъема; вылета крюка. Ее необходимо дооснастить датчиком направления ветра.

Подсистема нейросетевого прогнозирования представляет собой плату расширения (нейроускоритель) с нейросетевым алгоритмом. Плата расширения подключается к ПЛК.

Подсистема управления реализуется на базе ПЛК.

В ПЛК заложен логический алгоритм заблаговременного управления приводами (поворота и/или изменения вылета) башенного крана. Логический алгоритм предназначен для выдачи сигнала управления на основе нейросетевой модели, программа которой записана в память платы расширения, и на основе регистрируемых значениях датчиков. В ПЛК предусмотрена блокировка, исключающая возможное столкновение крюковой подвески о возводимый объект при экстренном повороте стрелы.

Условием безопасности является выдача подсистемой нейросетевого прогнозирования сигнала управления и его обработка подсистемой управления приводами для срабатывания привода поворота и/или привода изменения вылета. За счет этого при повороте наветренная площадь башенного крана уменьшается, что ведет к снижению давления от ветровой нагрузки, которая будет действовать в следующие моменты времени.

Система обеспечения устойчивости башенных кранов обеспечивает:

- сбор информации о параметрах ветра (скорость и направление) и о параметрах башенного крана (угловое положение стрелы, высота подъема крюковой подвески и вылет крюка) с установленной по протоколу обмена частотой опроса;

- прогнозирование опасных порывов ветра;

- оповещение крановщика и персонала строительной площадки об экстренном переводе башенного крана в безопасное положение;

- перевод башенного крана в безопасное положение.

ИНС для прогнозирования представляет собой нелинейную авторегрессионную модель вида:

*пр (О = /(*(*-А). •••*(«-МЬ)).

где л:пр(0 - прогнозируемое значение;

— Д),..., — ЫА) - предшествующие значения, измеренные с шагом Д (шаг дискретизации регистрируемых значений).

Прогнозирование реализуется на основе ИНС с памятью, в качестве которой выступает линия задержки времени.

Структурная схема ИНС прогнозирования представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структурная схема искусственной нейронной сети прогнозирования

Для прогнозирования используем ИНС прямого распространения с линией задержки, схема которой представлена на рисунке 9.

X (О - текущее (желаемое) значение; Х(Ь — 1) ...Х{Ь — ДО) - предшествующие значения; £1... DN - элементы линии задержки; и»(1)11... м/(1 )ДОМ - весовые коэффициенты синаптических связей от

линии задержки к скрытому слою; лу(2)11 ...и>(2)М1 -весовые коэффициенты синаптических связей от скрытого слоя к выходному слою.

ИНС состоит из входного слоя линии задержки времени (1) с отводами, которая определяет количество начальных значений для прогнозирования, промежуточного слоя нейронов (2) с сигмоидными активационными функциями и выходного слоя (3) с одним нейроном с линейной активационной функцией.

Необходимо выбрать время упреждения £упр таким, чтобы его было достаточно для разворота стрелы на угол астр относительно прогнозируемого направления порыва, определяемый как

где ав - прогнозируемое направление порыва.

Для башенного крана КБ-415 время поворота на половину оборота составляет £пов = 50 с. Поэтому сделан прогноз с временем упреждения £упР = 50 с.

Результаты моделирования, проведенные в МАТЬАВ, представлены на рисунке 10. Ошибка прогнозирования порыва ветра не превышает 10 %.

U-----—--1~---И---~t---i------- ----»--!--------f-----■>--......i------ ------

571 572 573 574 575 576 577 57S 579 580 581 3S2 583 584 585 5И 5S7 588 589 590

Время, с

-»-прогнозируемые значения -«-истинные значения Рисунок 10 - Результат прогнозирования скорости ветра

В алгоритме ГОЖ определены входные и выходные сигналы, логические соотношения между ними и уставки.

Сигналы от датчиков скорости ветра, направления ветра, положения стрелы, высоты подъема и вылета крюка являются входными. Выходные сигналы осуществляют коммутацию привода поворота и/или изменения вылета.

Используются следующие уставки: допустимой скорости ветра рабочего состояния, высоты построенного уровня объекта, расстояния от выступающей части здания (сооружения) до оси подкранового рельса.

В алгоритме учтены:

- сравнение сигнала текущей скорости ветра с допустимым значением, при превышении которого формируются сигналы — для включения зуммера и

лампы в кабине, звонка на стреле, для выключения электродвигателей механизма передвижения, для включения противоугонных захватов;

- сравнение сигналов датчиков положения стрелы и направления ветра для вычисления угла атаки скорости ветра и принятие решения о повороте стрелы в требуемую сторону относительно кабины на угол, определяемый на основе направления прогнозируемого опасного порыва;

- блокировка возможного столкновения крюковой подвески при экстренном повороте стрелы о возводимый объект путем сравнения сигнала датчика высоты подъема с уставкой построенного уровня, и дополнительного сравнения сигнала датчика вылета крюка с уставкой расстояния от выступающей части здания (сооружения) до оси ближнего подкранового рельса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена обеспечению устойчивости башенных кранов при случайном динамическом ветровом воздействии. Впервые:

- учтено соотношения собственных частот и частот порывов ветра при оценке устойчивости башенных кранов при динамическом воздействии ветра;

- получены энергетические спектры порывов ветра на основе измеренных данных;

- даны рекомендации для исключения резонансных колебаний башенных кранов;

- разработаны способ и система обеспечения устойчивости башенных кранов при воздействии энергоемких порывов на основе нейросетевых и логических алгоритмов.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Для оценки динамического воздействия ветра рассмотрены короткие фрагменты реализаций, в которых сосредоточены порывы, а затем усредненные фрагменты реализации.

2. Проведены измерения с частотой дискретизации Д/= 20 Гц для детального изучения динамического воздействия порывов ветра на металлоконструкции башенных кранов т.к. они устраняют эффект сглаживания и позволяют найти больший диапазон частот.

3. Проведенный модальный анализ для башенного крана КБ-415 справедлив для всех башенных кранов с балочной стрелой с поворотной башней. Вычисленная низшая собственная частота /с — ОД26 — ОД 30 Гц.

4. По результатам выполненных расчетов энергетических спектров и спектров собственных частот выявлены случаи попадания частот пульсаций ветра в области собственных частот металлоконструкции башенного крана. Определены частоты порывов (/пор >0,1 Гц), которые вносят вклад в

генерирование резонансных колебаний, увеличивающих возможность опрокидывания или разрушения башенного крана.

5. Предложены варианты решения проблемы резонансных явлений: отстройка собственной частоты от частоты порывов; отключение приводов при возникновении опасных вынужденных колебаний; проектирование металлоконструкции с собственной частотой £ > 3 Гц.

6. Разработаны способ и система обеспечения устойчивости при воздействии энергоемких порывов. По сигналам датчиков параметров ветра система управления на основе нейросетевого алгоритма прогнозирует скорость и направление ветра, далее на основе датчиков параметров башенного крана и логического алгоритма вырабатывает заблаговременную команду, поступающую на приводы поворота и/или изменения вылета для корректировки углового положения стрелы по направлению будущего порыва. Учтено время нарастания порыва (£пор = 0,5-5 с), время поворота башенного крана (¿пов = 50 с) и время упреждения (Супр = 50 с), на которое производится прогноз. Разработанные алгоритмы вмешиваются в штатную работу машиниста для обеспечения экстренного перевода башенного крана в безопасное положение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования Российской Федерации:

1. Мишин, А. В. Ненросетевой алгоритм системы автоматического контроля устойчивости башенных кранов [Текст] / А. В. Мишин, П1 А. Сорокин // Автоматизация и современные технологии. - 2014. - Л»4 _ г 7-11. - • •

2. Мишин, А. В. Система контроля устойчивости башенных кранов от опрокидывания [Текст] / А. В. Мишин, П. А. Сорокин // Известия Тульского государственного университета. - 2013. - выпуск 7 часть 2. -С. 325-332.

3. Мишин, А. В. Реализация алгоритма управления приводами башенных кранов при ветровых воздействиях [Текст] / А. В. Мишин, П.

A. Сорокин // Известия Тульского государственного университета. -2014. - выпуск 1. - С. 186-193.

4. Редькин, А. В. Устройство управления устойчивостью башенного крана в условиях воздействия ветровых нагрузок [Текст] / А.

B. Редькин, А. В. Мишин // Строительные и дорожные машины. - 2012. -№7.-С. 26-32.

В изданиях, не входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования Российской Федерации:

5. Мишин, А. В. Моделирование потери устойчивости башенного крана при случайном ветровом нагружении [Текст] / А. В. Мишин, Чан Дык Хиеу //

Труды 16-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». — 2012. - С. 4.

6. Мишин, А. В. Разработка интеллектуальной системы управления башенным краном при случайном ветровом воздействии [Текст] / А. В. Мишин, Чан Дык Хиеу // Труды 16-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». - 2012. - С. 18.

7. Сорокин, П. А. Разработка системы безопасности башенных кранов при воздействии ветровой нагрузки [Текст] / П. А. Сорокин, А. В. Мишин, К. С. Хряков, Чан Дык Хиеу // Инновационное развитие образования, науки и технологий. - 2012. - С. 134-140.

8. Сорокин, П. А. Устойчивость башенных кранов от опрокидывания при случайных воздействиях порывов ветра [Текст] / П. А. Сорокин, А. В. Мишин, К. С. Хряков, Чан Дык Хиеу // Труды 13-й научно-праюгической конференции «Безопасность движения поездов». - 2012. - IV - 2.

9. Мишин, А. В. Устойчивость башенных кранов от опрокидывания в условиях действия случайных порывов ветра [Текст] / А. В. Мишин, Чан Дык Хиеу // Труды НТК «Будущее машиностроения России». - 2012. - С. 334-336.

10. Сорокин, П. А. Устойчивость башенных кранов от опрокидывания при случайном воздействии порывов ветра [Текст] / П. А. Сорокин, А. В. Мишин // TTS TECHNIKA TRANSPORTU SZYNOWEGO. Koleje. Tramwaje. Metro.-2012.-№9.-Р. 881-887.

11. Мишин, А. В. Разработка системы безопасности башенных кранов с учетом частотного состава ветрового нагружения [Текст] // Труды 17-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». — 2013. - С. 82-84.

12. Мишин, А. В. Устойчивость башенных кранов в условиях ветрового воздействия [Текст] / А. В. Мишин, К. С. Хряков, Чан Дык Хиеу // Труды 17-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». — 2013. — С. 85-87.

13. Мишин, А. В. Спектральная оценка динамических ветровых нагрузок, действующих на башенные краны [Текст] / А. В. Мишин, К.С. Хряков // Труды НТК «Будущее машиностроения России». - 2013. - С. 345347.

14. Мишин, А. В. Компенсация экстремальных ветровых возмущений для сохранения устойчивости башенных кранов от опрокидывания [Текст] /

A.B. Мишин // Труды НТК «Будущее машиностроения России» - 2013 - С 350-352.

15. Сорокин, П. А. Система компенсации ветровых нагрузок для обеспечения устойчивости башенных кранов от опрокидывания [Текст] / П А. Сорокин, А. В. Мишин // TTS TECHNIKA TRANSPORTU SZYNOWEGO Koleje. Tramwaje. Metro. -2013. - №13. - P. 817-825.

16. Мишин, А. В. Алгоритм управления башенными кранами при экстремальных ветровых воздействиях [Текст] / А. В. Мишин // Труды 17-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». Часть 1 Секция 1. - 2014. - С. 74-76.

17. Мишин, А. В. Влияние частотного состава ветрового воздействия iia устойчивость башенных кранов [Текст] / А. В. Мишин // Труды 17-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». Часть 1 Секция 1. - 2014. - С. 77-79.

18. Мишин, А. В. Нейросетевая модель для контроля устойчивости башенных кранов [Текст] / А. В. Мишин // Труды 17-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные,' дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» Часть l' Секция 1. - 2014. - С. 79^82.

Мишин Алексей Владимирович

МЕТОД ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БАШЕННЫХ КРАНОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ СЛУЧАЙНЫХ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать «у »£2.2014 г. Заказ №Формат 60x90/16 Тираж 80 экз.

Усл. -печ. л, - 1,5 _

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр. 9., УПЦ ГИ МИИТ