автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Методы оптимального проектирования козловых кранов высокого класса ответственности

На правах рукописи

КОБЗЕВ РОМАН АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЗЛОВЫХ КРАНОВ ВЫСОКОГО КЛАССА ОТВЕТСТВЕННОСТИ

Специальность: 05.05.04-«Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 2 ФЕВ 2015

Новочеркасск - 2014

005558984

005558984

Работа выполнена в Балаковском институте техники, технологии и управления (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные мащины»

Научный консультант:

Доктор технических наук, Чернова Наталья Михайловна, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Липатов Анатолий Степанович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Подъемно-транспортные системы» «Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана»;

Аниев Виталий Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные машины и оборудование» «Тульского государственного

университета»;

Джигкаев Тамерлан Сосланович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Детали мащин» «Северо-Кавказского горнометаллургического института».

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет».

Защита диссертации состоится «26» марта 2015 г. на заседании диссертационного совета Д 212.304.04, созданного на базе Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И.Платова по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮРГПУ (НПИ) http://www.npi-tu.ru/index.рЬр?|"(1=3743

Автореферат разослан « 4 » февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профео

Исаков Владимир Семенович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Козловые краны являются одним из основных средств механизации подъемно-транспортных, строительно-монтажных, погру-зочно-разгрузочных и складских работ во всем мире. Краны этого типа наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к современным грузоподъемным машинам, среди которых высокая грузоподъемность, большие значения высоты подъема груза и обслуживаемой зоны, высокая производительность, возможность точного позиционирования груза, высокие показатели надежности, особенно с точки зрения грузовой и собственной устойчивости. Особое место среди козловых кранов занимают краны высокого класса ответственности (ВКО), согласно ГОСТ 28609-90 «Краны грузоподъемные. Общие положения расчета» к первому наиболее высокому классу ответственности относятся механизмы подъема груза и металлические конструкции кранов металлургического производства, атомных объектов, а также кранов, обслуживающих особо ответственный технологический процесс при отсутствии резервирования. Следует отметить, что данное определение предоставляет достаточно широкую свободу трактовок и нуждается в уточнении.

При проектировании козловых кранов ВКО особое внимание следует уделять вопросам обеспечения необходимого уровня безопасности эксплуатации, что оказывает существенное влияние на подход к их проектированию. В большинстве случаев конструкции козловых кранов ВКО далеки от оптимальных, прежде всего, по металлоемкости, что, в свою очередь, влечет за собой повышенное энергопотребление крана при его эксплуатации. Такая ситуация связана во многом с тем, что действующие нормативные акты не содержат четких рекомендаций относительно необходимой величины коэффициентов запаса прочности для элементов кранов ВКО. Вообще в нормативных документах для деталей, отказ которых приводит к разрыву кинематической цепи механизма подъема, у кранов, транспортирующих грузы температурой выше 300°С, расплавленный металл, шлак, ядовитые, взрывчатые и другие опасные грузы, для элементов механизмов часто регламентируется повышенное значение коэффициента пь при расчете по допускаемым напряжениям учитывающего степень ответственности; в остальных случаях степень ответственности просто не учитывается. В целом, данный подход, во-первых, не учитывает того, что перечисленные краны могут значительно отличаться по величине последствий при аварии; во-вторых, помимо элементов, отказы которых непосредственно приводят к разрыву кинематической цепи механизма, необходимо также учитывать элементы, отказы которых способны приводить к разрыву кинематической цепи при определенных условиях, например, в сочетании с отказом какого-либо другого элемента. В - третьих, отказы механизмов передвижения также способны привести к возникновению аварийной ситуации. При расчете металлоконструкций, как правило, вводится коэффициент условий работы, который при расчете по предельным состояниям учитывает степень ответственности отдельных элементов металлоконструкции. При этом степень ответственности проектируемого крана либо не учитывается, либо для группы перечисленных ранее

кранов рекомендуется принимать наибольшие значения коэффициента перегрузки К<з, назначаемого в зависимости от группы классификации режима работы. Таким образом, для кранов, изначально эксплуатирующихся в тяжелом режиме, фактически никакого увеличения запаса прочности в этом случае не происходит. Также необходимо отметить, что большинство нормативных документов в области проектирования грузоподъемных машин было написано достаточно давно и в настоящий момент или утратило силу, или нуждается в актуализации и носит рекомендательный характер.

В условиях сложившейся неопределенности конструктор при назначении запасов прочности элементов механизмов и металлоконструкций козловых кранов ВКО вынужден принимать решения на основании собственного опыта или опираться на созданные ранее краны подобного типа, что и приводит к появлению заведомо тяжелых и громоздких конструкций. Исходя из этого существует потребность в разработке методов оптимального проектирования козловых кранов высокого класса ответственности.

В целом теория оптимального проектирования грузоподъемных машин достаточно глубоко разработана рядом отечественных и зарубежных ученых, среди которых особое место занимают Д.И. Батищев, В. И. Брауде, М. М. Гохберг, В. Н. Демокритов, А. П. Кобзев, А. А. Короткий, Е. М. Кудрявцев, А. С. Липатов, В. Л. Лифшиц, И. А. Невзоров, В.Я. Недоводеев, Е.Ю.Малиновский, А. В. Олешкевич, А. Н. Орлов, Н. Н. Панасенко, Д.Н. Решетов, Б.Г.Скородумов, И. М. Соболев, В. Г. Соловьев, Р. Б. Статников, В.Н. Тарасов, Н.М.Чернова, Б. Банди, Фам Ван Хой, Д. Хедли, А. Рейнвиндран, Г. Реклейтис, К. Рэксдел, Д. Уайлд и другие.

Однако методы оптимального проектирования, применяемые при разработке кранов общего назначения, не могут быть применены для проектирования кранов ВКО и требуют определенной доработки, связанной с более высокими требованиями, предъявляемыми к безопасности эксплуатации кранов данного типа. В связи с вышеизложенным в рамках данной работы планируется осуществить дальнейшее развитие теории оптимального проектирования грузоподъемных кранов применительно к козловым кранам ВКО. Работа выполняется в соответствии с научным направлением ГОУ ВПО СП У «Развитие теории оптимального проектирования подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин», а также г/б темой 14В.02.02 «Оптимальное проектирование металлоконструкций тяжелых козловых кранов».

Цель работы — снижение эксплуатационных затрат и себестоимости изготовления козловых кранов высокого класса ответственности при одновременном обеспечении необходимого уровня безопасности эксплуатации за счет применения предложенных методов оптимального проектирования механизмов, несущей металлоконструкции и определения коэффициентов запаса прочности элементов указанных кранов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить критерии идентификации козловых кранов высокого класса

ответственности;

2. Выбрать критерий количественной оценки безопасности эксплуатации козловых кранов ВКО;

3. Разработать метод определения коэффициентов запаса прочности элементов механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО в зависимости от степени ответственности крана и элемента,

4. Выбрать методы оптимизации для решения задач оптимального проектирования механизмов и несущих металлических конструкций козловых кранов ВКО;

5. Определить критерии оптимальности механизмов и металлоконструкций козловых кранов ВКО;

6. Разработать методы многокритериального оптимального проектирования механизмов подъема груза, механизмов передвижения козловых кранов ВКО и передвижения их грузовых тележек;

7. Разработать методы многокритериального оптимального проектирования несущих металлоконструкций козловых кранов ВКО.

Основная идея работы: создание метода определения коэффициентов запаса прочности элементов козловых кранов ВКО с учетом степени ответственности крана и элемента, методов оптимального проектирования механизмов подъема груза, передвижения крана и грузовой тележки, а также несущей металлоконструкции указанных кранов, позволяющих получать конструкции, обладающие меньшей себестоимостью и эксплуатационными затратами при одновременном обеспечении необходимого уровня безопасности эксплуатации.

Методы исследования. В диссертационном исследовании использовались: метод многокритериальной оптимизации, основанный на применении принципа Парето, логико-графический метод количественного анализа риска опасных событий с помощью построения и анализа дерева отказов, метод динамического программирования, метод ЛП-поиска и модифицированный метод Хука-Дживса.

Обоснованность п достоверность полученных результатов основывается на корректности физических предпосылок, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей; применении апробированных законов математики, механики, теории механизмов и машин, методов математического моделирования и методов оптимального проектирования; подтверждении предложенных научных положений данными компьютерного моделирования; а также на сравнительном анализе полученных в работе результатов с известными.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. В качестве критериев идентификации кранов высокого класса ответственности следует использовать число людей, здоровью которых может быть нанесен урон при возникновении опасных событий, вызванных отказом крана, а также общую величину потенциального экономического и экологического ущерба в денежном выражении;

2. При определении коэффициентов запаса прочности отдельных элементов козловых кранов ВКО необходимо учитывать величину потенциального ущерба от опасных событий, к которым способен приводить отказ крана, и назначенное

на его основе значение «приемлемого риска»; влияние элемента на общую безопасность системы, а также предполагаемый срок эксплуатации и группу классификации режима работы крана; что реализовано в разработанном методе определения коэффициентов запаса прочности;

3. Задачи оптимального проектирования механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО являются многокритериальными, и могут быть решены методом многокритериальной оптимизации, основанным на применении принципа Эджворта-Парето.

4. В состав векторного критерия оценки качества решения задач многокритериального оптимального проектирования механизмов подъема груза следует включать массу, себестоимость, КПД и габаритные размеры механизма; механизмов передвижения - массу, себестоимость и КПД механизма; металлоконструкций козловых кранов ВКО - массу металлоконструкции и затраты, связанные непосредственно с трудоемкостью ее изготовления.

5. Применение в предложенных методах формирования множеств парето-оптимальных решений механизмов подъема груза, передвижения козловых кранов ВКО и их грузовых тележек динамического программирования позволяет ав-томатизированно рассмотреть все возможные сочетания различных вариантов комплектующих механизма и гарантированно найти каждое парето-оптимальное решение;

6. При выборе пространственной структурной схемы металлоконструкции козловых кранов ВКО необходимо рассматривать не только известные ранее структурные схемы, но и новые варианты создаваемых схем, что позволяет предложенный метод синтеза пространственных структурных схем металлоконструкций козловых кранов.

Новизна научных положений состоит в том, что:

- предложены критерии идентификации козловых кранов ВКО, которые позволяют однозначно определять принадлежность козловых кранов к данному классу в отличие от действующих нормативных документов, а также дифференцировать их по степени ответственности;

- при определении коэффициентов запаса прочности элементов механизмов и металлоконструкции козловых кранов высокого класса ответственности с помощью разработанного метода учитывается потенциальный ущерб, к которому способны приводить опасные события, связанные с отказом крана, и влияние элемента на общую безопасность системы;

- получены векторные критерии оценки качества решения задач многокритериального оптимального проектирования механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО, которые позволяют полноценно оценивать влияние принимаемых конструктором решений на капитальные и эксплуатационные затраты крана и при этом относительно легко определяются;

- в разработанных методах и алгоритмах формирования множеств парето-оптимальных решений для механизмов козловых кранов ВКО реализуется метод динамического программирования;

- предложенный метод синтеза пространственных структурных схем метал-

локонструкций козловых кранов ВКО позволяет автоматизированно находить оптимальное решение как из числа ранее известных, так и вновь создаваемых схем.

Практическая значимость работы. Полученные методы и алгоритмы формирования парето-оптимальных решений для механизмов подъема груза, передвижения кранов и грузовых тележек, метод синтеза оптимальных структурных схем металлоконструкций, а также методика и алгоритм параметрической оптимизации элементов металлоконструкции позволяют снизить металлоемкость, стоимость проектирования и изготовления, энерговооруженность козловых кранов ВКО при одновременном обеспечении необходимого уровня безопасности их эксплуатации.

Реализация результатов работы. Методы и алгоритмы формирования множеств парето-оптимальных решений механизмов подъема груза и передвижения козловых кранов ВКО внедрены на ОАО НПО «ВНИПТМАШ», г. Москва, ОАО «Тяжмаш», г. Сызрань, ООО «Симбирский крановый завод», г. Ульяновск. Векторные критерии качества решения задач оптимального проектирования механизмов и металлоконструкции внедрены в ООО «ИКЦ Крансервис», г. Балаково. Результаты диссертационного исследования также используются при обеспечении учебного процесса в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. и Вольском военном институте материального обеспечения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на I Всероссийской научно-методической конференции с международным участием "Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров" (Саратов, 2000), международной научно-технической конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2001" (Санкт-Петербург,

2001), межвузовской научной конференции «Современные проблемы нелинейной механики конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами» (Саратов,

2002), научно-технической конференции "Проблемы разработки новых технологий и оборудования для предприятий строительной, машиностроительной, химической и энергетической промышленности" (Саратов, 2002), научной конференции "Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин" (Астрахань, 2002), международной научно-технической конференции "Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин" (Саратов, 2002), научно-технической конференции «Подъёмная безопасность при эксплуатации подъемно-транспортных машин» (Санкт-Петербург, 2003), первом Уральского подъемно-транспортном Конгрессе ( Екатеринбург, 2008), I и Ш региональной научно-технической конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства» (Саратов, 2009, 2012), 1П Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, автоматизация, системы автоматизированного проектирования промышленных систем и строительных объектов» (Саратов, 2011), V международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации», международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2013» «Инновации в науке-инновации в образовании» (Новочеркасск, 2013), международной научно-практической интернет-конференции «БшогИ» (Одесса, 2013). Диссертационная работа заслуши-

валась и была одобрена на заседаниях кафедр «Подъемно-транспортные машины и роботы» Южно-Российского государственного политехнического университета имени М.И.Платова, «Строительные и дорожные машины и оборудование» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научных работы, в том числе 2 монографии и 1 патент на изобретение. Из указанного числа работ 17 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ для докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из двух томов, в составе первого тома введение, 5 глав, заключение и список использованной литературы из 391 наименования, в составе второго тома 7 приложений. Диссертация содержит 300 страниц машинописного теста, 61 рисунок, 10 таблиц, общий объем основного текста 384 страницы, приложений -128 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, подтверждающая необходимость дальнейшего развития теории оптимального проектирования применительно к козловым кранам ВКО, сформулирована цель работы, приведена общая характеристика работы с определением ее научной новизны и практической ценности.

В первой главе приведена общая характеристика задачи оптимального проектирования козловых кранов, предложены критерии идентификации кранов ВКО на основании концепции «приемлемого риска», выполнен анализ методов оптимального проектирования и выбраны методы, наиболее применимые для решения поставленных в исследовании задач.

Оптимальное проектирование козлового крана ВКО следует рассматривать как совокупность последовательно решаемых задач оптимального проектирования механизма подъема груза, механизма передвижения грузовой тележки, металлоконструкции крана, механизма передвижения крана. Общая последовательность проектирования козлового крана показана на Рис. 1.

Основанием для проектирования является техническое задание, которое содержит все требуемые количественные и качественные характеристики проектируемого крана. В первую очередь должен быть спроектирован механизм подъема груза (при необходимости вспомогательные механизмы подъема груза), исходя из параметров технического задания: грузоподъемности высоты Н и скорости подъема груза упод, диапазона Д,од и характера (ступенчатое или плавное) ее регулирования, группы классификации режима работы механизма (числа включений механизма в час, продолжительности включения), а также индивидуальных особенностей проектируемого крана и объекта, на котором он будет установлен: пожаро- и взрывоопасности, сейсмостойкости, степени опасности транспортируемого груза, его габаритных размеров, степени опасности

А

Рис. 1. Последовательность проектирования систем козлового крана и взаимное влияние их конструкций друг на друга.

и размещения устанавливаемого в непосредственной близости от проектируемого крана технологического оборудования и других данных. Далее проектируется металлическая конструкция грузовой тележки на основании грузоподъемности Q и полученных параметров механизма подъема груза, а именно: веса и расположения основных элементов механизма (Смехпод), а также его габаритных размеров А и Б. На следующем этапе проектируется механизм передвижения грузовой тележки, исходными данными для этого являются вес механизма подъема груза Сме!СП0Д и металлоконструкции грузовой тележки Смктел, а также заданные техническим заданием скорость передвижения грузовой тележки диапазон Д^, и характер ее регулирования, группа классификации режима работы механизма. По завершении проектирования механизма передвижения грузовой тележки необходимо внести некоторые дополнения в ее металлоконструкцию, а именно разработать крепление для спроектированного механизма передвижения тележки весом Спертел. В дальнейшем на основании веса грузовой тележки Стел и ее габаритов Атеп и Втеп, а также грузоподъемности Q и пролета крана Ь, высоты подъема груза Н и других условий, заданных техническим заданием, проектируется несущая металлоконструкция крана. В последнюю очередь проектируется механизм передвижения крана, исходя из веса и размещения основных элементов крана (Смк и Стел), а также грузоподъемности крана Q,

скорости его передвижения г^,, диапазона Дф и характера ее регулирования, группы классификации режима работы механизма, заданных техническим заданием. При этом взаимное влияние отдельных систем крана друг на друга должно быть учтено с помощью дополнительно накладываемых на проектируемую систему ограничений.

Понятие кранов высокого класса ответственности вводится ГОСТ28609-90 «Краны грузоподъемные. Общие положения расчета», однако, данным стандартом даны весьма общие критерии идентификации данных кранов, допускающие определенную свободу трактовок. В связи с этим были выработаны новые, более четкие критерии идентификации рассматриваемых кранов на основании концепции «приемлемого риска». В качестве таковых предложены: число людей, здоровью которых может быть нанесен урон при возникновении опасных событий, вызванных отказом крана (от 10 человек), а также общая величина потенциального экономического и экологического ущерба в денежном выражении (от 1 млн долларов). К ВКО, прежде всего, должны быть отнесены краны, установленные на территории опасных производственных объектов согласно Федеральному Закону №116ФЗ «О промышленной безопасности», особо опасных объектов согласно Градостроительному кодексу РФ, а также краны, выполняющие операции с опасными грузами согласно ГОСТ 19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка».

В ходе анализа методов оптимального проектирования установлено, что задачи оптимального проектирования механизмов и металлической конструкции козловых кранов являются задачами многокритериальной условной многомерной нелинейной оптимизации, для решения которых могут быть применены только методы прямого поиска, так как зависимость между критериями оптимизации и переменными, описывающими данную систему, не всегда может быть выражена аналитически. В связи с этим для решения перечисленных задач был выбран метод многокритериальной оптимизации, основанный на использовании принципа Эджворта-Парето. Согласно данному методу задача оптимального проектирования рассматривается как трехуровневый процесс, включающий в себя: создание множества возможных решений X, далее формирование на его основе множества парето-оптимальных решений Р/(Х), и далее, при необходимости, сужение множества Р/(Х) до множества выбираемых решений Бе1{Х). Парето-оптимальными считаются решения, между которыми не может быть установлено четкое предпочтение. Для сравнения отдельных решений между собой должен быть составлен векторный критерий оценки качества решения, включающий в себя различные критерии оптимальности проектируемой системы. Объем множества выбираемых решений Бе1(Х) должен позволить лицу, принимающему решения, (ЛПР) осуществить осознанный выбор между входящими в него решениями. При этом не следует стремиться к чрезмерному сужению множества Парето, поскольку не все свойства проектируемой системы могут быть выражены количественно и войти в состав векторного критерия. Также установлено, что для параметрической оптимизации металлоконструкции крана может быть использован один критерий оптимальности в виде металлоемкости, поэтому в данном случае для поиска области

расположения глобального минимума предлагается использовать метод ЛП-поиска. Более точное расположение минимума рекомендуется искать с помощью модифицированного метода конфигураций Хука-Дживса. При этом необходимо полученную на каждой итерации метода точку проверять на условие существования решения, поскольку данный метод предназначен только для решения задач безусловной оптимизации.

Во второй главе рассматриваются вопросы безопасности эксплуатации козловых кранов высокого класса ответственности.

Количественным критерием оценки безопасности эксплуатации предложено считать риск появления опасных событий, с которыми связана его эксплуатация. В качестве инструмента его определения следует использовать вероятностный анализ безопасности (ВАБ). Согласно концепции «приемлемого риска» условие безопасности выглядит как

&<т, (и

где <2{ - фактическая величина риска г'-го опасного события, определяемая с помощью ВАБ, [£?,] — уровень «приемлемого риска» для оцениваемого объекта. В рамках данной работы используется понятие «приемлемого риска» отдельных опасных событий, к которым может приводить отказ крана. Термин риск отказа крана не используется, поскольку для абстрактного отказа невозможно определить размер последствий и назначить значение «приемлемого риска». Считается, что безопасность эксплуатации крана обеспечена, если условие (1) выполняется для всех опасных событий, к которым может привести отказ любой из систем крана.

Одной из наиболее сложных проблем при проведении ВАБ является определение количественного значения «приемлемого риска» нанесения ущерба здоровью людей, а также экономического или экологического ущерба. В результате проведенного анализа ряда отечественных и зарубежных источников, посвященных ВАБ, отмечена противоречивость оценок величины «приемлемого риска» при гибели человека вследствие техногенной аварии. В связи с этим при определении значения «приемлемого риска» гибели человека в результате аварии крана принято решение руководствоваться данными Всемирной Организации Здравоохранения, согласно которым в мире происходит около 5 смертей в год на каждые 10000 человек в возрасте до 30 лет. Из предположения, что вероятность гибели человека в результате аварии крана не должна превышать данное значение, получено значение «приемлемого риска» гибели одного человека 5 • 10"4 1/год. Для определения приемлемого риска опасных событий, влекущих гибель большего числа людей, используется пропорциональная зависимость между «приемлемым риском» и потенциальным количеством жертв. Данная зависимость предполагает, что общество более критично относится к сравнительно более редким авариям, приводящим к гибели большего числа людей, чем к нескольким более вероятным авариям с меньшими жертвами. Воспользуемся соотношением, принятым в Великобритании, Нидерландах, Дании и Чешской Республике, согласно которому «приемлемый риск» опасного события, приносящего в 10 раз больше жертв, должен быть меньше в 10" раз. На основании вышесказанного составим диаграмму для опреде-

ления величины «приемлемого риска» в зависимости от числа пострадавших (рис. 2)

1 -

:

1

I

....... ........ ......... .............. ........

;

Число жертв

Рис. 2. Диаграмма определения значения «приемлемого риска» в зависимости от потенциального числа жертв

Рекомендации величины «приемлемого риска» в зависимости от суммарного потенциального ущерба встречается в литературе значительно реже, тем не менее, в результате проведенного анализа было принято назначить для опасного события с потенциальным ущербом в 1 млн. долларов величину «приемлемого риска» КГ1 Угод. Используя пропорциональную зависимость между размером потенциального ущерба и «приемлемым риском», получим диаграмму определения значения «приемлемого риска» в зависимости от потенциального ущерба (рис. 3).

Для случаев, когда на стадии проектирования крана число пострадавших от появления опасного события и величину ущерба от него определить затруднительно, рекомендованы значения «приемлемого риска» опасных событий в зависимости от класса опасности объекта согласно Федеральному Закону №316ФЭ и Градостроительному Кодексу РФ, а также в зависимости от класса опасности и количества переносимого опасного груза согласно ГОСТ 19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка».

На основании проведенного обзора методов анализа риска для вероятностного анализа безопасности эксплуатации козловых кранов ВКО выбран дедуктивный логико-графический метод построения и анализа дерева отказов, наиболее часто применяемый для ВАБ технических систем. Выбранный метод позволяет установить логические причинно-следственные связи между появлением отказов отдельных простейших элементов крана и вершинного опасного события,

!х1 о" 81-:-^-^

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Потенциальный ущерб, млн. долл.

Рис. 3. Диаграмма определения значения «приемлемого риска» в зависимости от потенциального ущерба

выражаемые в виде графической структуры дерева отказов, тем самым устанавливается вклад каждого элемента в безопасность всей системы. В большинстве источников, посвященных проблеме анализа риска, принимается, что риск отказа отдельных элементов и относительно несложных технических систем подчиняется экспоненциальному закону распределения

0(1) = \-е~}-', (2)

где А — интенсивность отказов элемента или системы, г — время эксплуатации.

Отказ каждого из элементов крана в логико-графической структуре дерева отказов связан с отказами других элементов логическими операторами, наиболее распространенными из которых являются: «и» - выходное событие появляется, если случаются все входные события (рис. 4а), «или» - выходное событие появляется, если случается любое из входных событий (рис. 46).

Конечное Конечное

событие □йьгтиэ

■&)(&) (Б,)

а)

Рис. 4. Графическое изображение логических операторов «и» (а) и «или» (б) на структуре дерева отказов

При этом вероятность появления выходного или конечного события Р(А), вызываемого входными событиями С/, выразится:

- если события е, связаны между собой логическим оператором «и»:

п

Р(А) =Р(е,) ■ Р(е2) ■ Р(е3) • ... ■ Р(еп) или К-=ПРр

- если события e¡ связаны между собой логическим оператором «или»: Р(А)= 1 -(1 - Р{ех)) • (1 - Р(е2)) •...•(!- Р(е„)) или Л „, = 1 - П (1 - Р,).

В работе проведен вероятностный анализ риска опасного события «падение ротора гидротурбины в зоне действующего оборудования Саратовской ГЭС при его переносе двумя кранами К2х180/50/10» методом построения и анализа дерева отказов. Для определения количественного риска данного «опасного события» был проведен анализ источников и создана база данных по интеНсивностям отказов типовых элементов крановых систем. В результате, было получено фактическое значение риска указанного «опасного события» 4,757-10"5 1/год. Поскольку собранные данные по интенсивностям отказов отдельных крановых элементов не имеют привязки к определенному типу кранов и соответствуют некоторому среднестатистическому крану, данный результат справедлив только для случая, в котором конструктор при проектировании данного крана руководствовался бы нормами, принятыми для кранов общего назначения. Фактически же при проектировании данного крана заложены запасы прочности, значительно превышающие рекомендованные нормативными документами. Для того, чтобы установить зависимость между вероятностью отказа отдельного элемента крана и заложенным при его проектировании общим запасом прочности (при расчете по предельным состояниям), построена математическая модель, связывающая интенсивность отказа элемента с предусмотренным при его проектировании коэффициентом запаса прочности. Условие прочности отдельного элемента на основании известной модели «нагрузка-прочность» может быть представлено:

где 5 - несущая способность, Я - сопротивление элемента. При этом считается, что данные величины стремятся к нормальному закону распределения:

^ =-т= • ехр(——*-);

а^ 2л 2о"

а5ы2 л 2О5

где тк, ак - соответственно математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение сопротивления Я; т$, о$ — соответственно математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение несущей способности

Под коэффициентом запаса прочности 2 при расчете по допускаемым напряжениям понимается соотношение:

где а„р — предельное значение напряжений для материала элемента, ег - фактическое значение напряжений. При расчете по предельным состояниям отдельно определяются коэффициенты, учитывающие возможность перегрузки у^ отклонения механических характеристик материала ут, особенности условий работы элемента уЛ а также назначение крана и элемента у„. При этом общий запас прочности может быть выражен как

2 _ У г' У»

Ут -У/

Воспользуемся известным термином резерв прочности Ч*:

У

Поскольку Я и Б распределены по нормальному закону, следовательно, запас

прочности также распределяется по нормальному закону (рис. 5), т.е.

1 Ч' -т

ЯЧ0=—~ехр(—

Мп

2а\,

где /гг.р, о.р — соответственно математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение резерва прочности ЧЛ

«У)

у?. ш /Р

ш V

0 Л1 V —- у,

Рис. 5. Плотность распределения Г(ЧУ) резерва прочности 4х: Р — зона безопасности; (2 — зона риска.

При этом

= Шц — ,

В литературе предложено следующее условие безопасности:

Ч1™-

Р(Ч^>0)= } /(Ч^^Ч* = 0,5 + /(Ч'УЛР = 0,5 + Ф(а) - Ф((3), где Ф - функция Лапласа,

Откуда

ач, а,,, о,

ш

ДЧ* > 0) = 0,5 + Ф(——);

а„,

m^

+ о;

mR( 1-

т„

Представляем коэффициент общего запаса прочности элемента Ъ как

тс

тогда

Р(Ч/>0) = 0,5 + Ф

После этого выражение для риска отказа элемента примет вид:

mR{ I-)/)

О = 1 - Р = 0,5 - Ф

+ <т:

Данное выражение отражает зависимость между риском отказа и запасом прочности элемента в детерминированном аспекте. Фактически запас прочности, заложенный конструктором в момент проектирования, в течении всего срока эксплуатации будет уменьшаться, пока не станет равным 1 в момент времени, когда произойдет отказ элемента. Характеристики сопротивления материала тк и сгл, а также несущей способности т$ и о^ со временем будут менять свое значение, поскольку геометрические характеристики сечения будут ухудшаться, а сопротивление металла снижаться вследствие процессов накапливания усталостных повреждений, абразивного и коррозионного износа, также носящих случайный характер. Данные изменения и являются причиной изменения запаса прочности, поскольку математические ожидания несущей способности т3 и сопротивления тк со временем будет смещаться в сторону друг друга до момента вероятного наступления отказа, когда их значения сравняются. Тогда вероятность безотказной работы можно выразить как функцию времени V.

P{t) = 0,5 + Ф

ЩШ- 1 Z{!))

^aR(ty+as(t)2

где Z(t) - функция изменения фактического запаса прочности от времени, mR(t) — функция изменения математического ожидания сопротивления элемента от времени, о>(7) - функция изменения среднего квадратичного отклонения сопротивления элемента от времени, o^t) — функция изменения среднего квадратичного отклонения несущей способности от времени.

С точки зрения принятого для отдельных элементов и относительно несложных технических систем экспоненциального закона распределения отказов

P(t) = еи

Тогда вероятность безотказной работы элемента в начальный момент эксплуатации крана (t= 1), когда фактический запас прочности элемента равен исходному коэффициенту запаса прочности, заложенному конструктором, значения mR

и <Хд соответствуют известным значения распределения механических свойств материала элемента, а несущая способность элемента определяются только точностью его изготовления:

Предполагаем, что значения интенсивности отказа типовых элементов крана соответствуют некоторому среднестатистическому крану, т.е. крану обычного класса ответственности, работающем в среднем режиме (А5). Из полученного выражения, зная значения интенсивностей отказов для типовых элементов кранов обычного класса ответственности, параметры распределения прочностных характеристик материала, а также нормативные коэффициенты запаса прочности для этих элементов, можно получить значение среднего квадратичного отклонения несущей способности элемента в начальный момент времени как:

где ргоЬИ - функция, обратная функции Лапласа. Величина дисперсии несущей способности в начальный момент времени ст.и на момент начала эксплуатации отражает вероятность появления отклонений несущей способности при изготовлении элемента. Полученное значение 050 далее может быть использовано для нахождения интенсивности отказа элемента X, имеющего некоторый запас прочности отличающийся от общепринятого в краностроении для элементов данного типа:

Или, задавшись необходимой величиной интенсивности отказа, можно определить минимальный необходимый запас прочности для достижения требуемого уровня риска отказа элемента:

(3)

(5)

Z =

т,

R

(6)

Если ввести параметр

0 =

т

к

выражения (3), (5), (6) примут более удобный вид:

0,5 + Ф(© • (1 - У7)) = е

Yz

2 =--

0 - ргоЪИ{е' -0,5)

Изначально считаем, что интенсивность отказа элемента X, определенная из опыта эксплуатации подобных устройств, соответствует элементу, работающему в наиболее часто встречающемся среднем режиме (М5) на протяжении штатного срока службы То-. В случае, есООли в проектируемом кране данный элемент будет работать в каком-либо ином режиме и на протяжении другого срока эксплуатации, необходимо уточнить значение X. Полагаем, что риск отказа элемента в момент окончания заданного срока эксплуатации Т в заданном режиме работы должен быть равен риску отказа подобного элемента на протяжении среднестатистического срока эксплуатации по среднестатистической группе режима работы М5, а наработка элемента в этот момент эквивалентна наработке подобного элемента на протяжении среднестатистического срока эксплуатации по среднестатистической группе режима работы М5:

2(0 = 1 - ехр(- ),■!) = О°(0= 1 - ехр(- • 7°) где Т° — среднестатистический срок эксплуатации, Х° — интенсивность отказа элемента согласно статистическим данным, Т— заданный срок эксплуатации элемента, А. - искомая интенсивность отказа.

уо

Отсюда получаем ^ = ' ^

Наработку элемента представляем как

№=Кт ■ т,

где Кт— коэффициент нагружения элемента, т - общее время работы элемента.

Предположив, что все виды работ, выполняемые краном, цикличны, выразим наработку следующим образом

Ы=Кт- тг- Т,

где тг— время работы элемента в течении одного года эксплуатации, тогда

Ы=Кт- тг- Г=Л° = АЯ°- тг°- 7°, где Кт°, тг°, — соответственно коэффициент нагружения, время работы элемента в течение одного года эксплуатации для среднестатистического элемента.

Отсюда

Г _ Кя- тг Т~К°-т°

т г

Т К0-т°

т г

Если принять, что среднестатистический кран имеет наиболее часто встречающийся умеренный класс нагружения и класс использования Т5, тогда согласно ИСО 4301 коэффициент Кт° = 0,25, а среднестатистическое общее число часов работы механизма т° = 6300. Согласно ГОСТ 27584-88 срок службы козлового крана или мостового крана в среднем составляет 25 лет, тогда окончательно формула для определения интенсивности отказа примет вид:

Х = [7]

0,25-252 63 63-Т J

Для элементов металлоконструкции вместо группы классификации режима работы механизма следует использовать группу классификации режима работы крана, в этом случае наработка крана может быть определена как характеристическое число

н=кт • ц,

где Ц — общее число выполненных циклов.

Общее число циклов работы в течение срока эксплуатации для класса использования и5 согласно ИС04301 Ц° = 5*103, тогда число циклов в год Ц-° = 2*104, а интенсивность отказов отдельных элементов следует определять по формуле:

я=^Цу>о= = = [8]

А'„, -Цг 0,25-2-10 5-10" 5-10' -Т где Цг - предполагаемое число циклов работы проектируемого крана в течение одного года эксплуатации.

Таким образом, используя выражения (4), (6) - (8) можно определить необходимое значение коэффициента запаса прочности типового кранового элемента, исходя из требуемой интенсивности отказа, заданного срока эксплуатации и группы классификации режима работы. Помимо увеличения коэффициента запаса прочности при необходимости повышения безопасности эксплуатации следует также рассматривать возможность резервирования наиболее ответственных элементов. Например, при необходимости увеличить надежность тормоза следует ввести в состав механизма дополнительный тормоз, поскольку увеличение тормозного момента приведет к повышению динамических нагрузок, действующих на механизм при торможении. В практике краностроения также известны случаи использования двух параллельно работающих полиспастов, канаты которых наматываются на общий барабан.

Если по результатам проведенного вероятностного анализа безопасности для одного из опасных событий, к которым способен привести отказ проектируемого козлового крана, не выполняется условие (1), необходимо предусмотреть меры для повышения безопасности эксплуатации крана. Безопасность эксплуатации может быть повышена: за счет увеличения коэффициентов запаса наиболее значимых с точки зрения безопасности элементов крана или за счет их дублирования.

Для определения необходимых для обеспечения требуемого значения «приемлемого риска» рассматриваемого опасного события интенсивностей отказов отдельных элементов необходимо проделать следующую процедуру:

1. Отметить на структурно-графической схеме дерева отказов полученные изначально вероятности появления всех отказов возле каждого события.

2. Рядом с вершинным событием нанести на дерево отказов значение «приемлемого риска».

3. Двигаясь по дереву сверху вниз, определить значения «целевого риска» всех отказов, исходя из предположения, что вероятности появления всех входя-

щих событий должны иметь близкие значения. Для элементов, соединенных логическим элементом «и», необходимое значение «целевого риска», к которому должно стремиться значение реального риска, можно найти как:

где ()ных — целевое значение риска выходного события логического оператора, <2,а — целевое значение риска для всех входящих событий логического оператора, п — количество входящих элементов логического оператора.

Для элементов, связанных логическим оператором «или»:

В случае, если изначально у одного или нескольких входящих событий фактический риск заведомо ниже, чем «целевое» значение риска, тогда формулы (9) и (10) для определения целевого значения вероятности прочих входящих событий примут следующий вид: для событий, связанных логическим оператором «и»:

где д1 - значения рисков входящих событий, у которых фактический риск ниже «целевого», к - число входящих событий, у которых фактический риск ниже «целевого»; для связанных логическим оператором «или»:

Процедура отсеивания малозначимых отказов может производиться ступенчато, поскольку при исключении из рассмотрения ряда малозначимых событий, изменяется значение «целевого риска» для оставшихся событий, соответственно, может случиться, что значение фактического риска одного или нескольких из входящих событий станет ниже нового значения «целевого риска».

4. Проанализировать соотношения фактического и целевого риска для всех исходных событий дерева отказов, для чего вычисляем коэффициент значимости для ;'-го исходного события:

где <2^ - фактический риск г'-го исходного события, - целевой риск г'-го исходного события. В случае, если исходное событие встречается несколько раз в различных ветвях дерева, то коэффициенты значимости суммируются.

5. Увеличить запас прочности исходного события, имеющего наибольший коэффициент значимости. Для оригинальных элементов необходимое значение коэффициента запаса прочности может быть определено, исходя из целевого значения риска 0,и, встречающегося в дереве отказов, с помощью зависимостей (4), (6)-(8). Для серийных изделий необходимо перейти к следующему большему по ряду типоразмеру элемента, определить, исходя из справочных данных, новое значение коэффициента запаса прочности, после чего по зависимостям (4), (5), (7),

(9)

(10)

(8) заново рассчитать интенсивность отказа элемента. В случае, если с данным серийным элементом связаны и другие исходные события, необходимо определить заново интенсивность отказов также и для них. Кроме того, изменения в конструкции одного элемента неизбежно влекут за собой изменения в конструкции других связанных с ним элементов. В этом случае необходимо также пересчитать значения коэффициента запасов прочности и интенсивности отказов этих элементов с учетом внесенных изменений.

6. Заново определить количественное значение риска для всех событий дерева. Проверить условие (1), в случае, если оно не выполняется необходимо перейти к пункту 5 и увеличить коэффициент запаса прочности следующего по значимости элемента. В противном случае считаем, что риск данного опасного события находится в допустимых пределах, и следует перейти к проверке следующего опасного события.

Предложенный метод определения коэффициентов запаса прочности был опробован на опасном событии «Падение ротора гидротурбины в зоне действующего оборудования Саратовской ГЭС при его переносе двумя кранами К2х180/50/10» (Рис. 6) Наиболее значимыми с точки зрения влияния на безопасность оказались следующие элементы: открытая зубчатая передача механизма подъема груза (событие е\), грузовой канат (<?3), крепление каната к барабану (е8), металлоконструкция главной балки моста (е25), металлоконструкция опор (е26 и е21), узлы соединения опор с мостом (е28 и е29). В итоге требуемый коэффициент запаса грузового каната составил 5,194 (согласно нормам проектирования для крана обычного класса ответственности должен быть принят коэффициент 3,15); для открытой зубчатой передачи 1,395 (1,36), для крепления каната к барабану - 1,283 (1,25), для металлоконструкции главной балки - 1,107 (общий суммарный запас согласно нормативным актам 1,103), для узла соединения опор с мостом крана-1,233 (1,225).

Третья глава посвящена вопросам оптимального проектирования механизмов подъема груза козловых кранов высокого класса ответственности. В ходе проведенного анализа конструкций механизма подъема груза козловых кранов ВКО определено 18 возможных кинематических схем механизма. Предполагается, что на начальном этапе ЛПР должно выбрать из их числа наиболее перспективные кинематические схемы, которые следует рассматривать в ходе оптимального проектирования механизма. Кинематические схемы отличаются между собой типом применяемых редукторов или мотор-редукторов, наличием или отсутствием открытой зубчатой передачи и расположением элементов.

Для оценки качества решения задачи многокритериального оптимального проектирования механизма подъема груза разработан векторный критерий качества, включающий следующие компоненты: 1) суммарную себестоимость элементов механизма подъема груза С, как величину, оказывающую влияние на капитальные затраты на изготовление крана; 2) общую массу механизма М, как характеристику, определяющую стоимость монтажа крана, энергоемкость механизмов передвижения тележки и механизмов передвижения крана, массу металлоконст-

ела-9.Х2Ю 0'ш-2.005 »■*

\ЩЩ\ [Ш] [ШЩЩш\

еь-тя* О^4ОБЮ' йЛ-да»"* о'я-(ов-»ш'

с/,-ДО»'*

е13) (ео) (в17) (Е19)

Рис. 6 .Анализ логико-графической структуры дерева отказов для опасного события "Падение ротора гидроагрегате районе действующего оборудования ГЭС"

рукции грузовой тележки, которая также влияет на энергоемкость механизмов передвижения крана и грузовой тележки; 3) КПД механизма, как параметр, влияющий на энергоемкость механизма подъема груза, 4) габаритные размеры механизма А и Б, влияющие на габариты, а следовательно и массу металлоконструкции грузовой тележки, что в конечном счете сказывается на энергоемкости механизмов передвижения крана и грузовой тележки.

Построена математическая модель, описывающая механизм подъема груза как сложную техническую систему, состоящую из нескольких модулей: 1 -электропривод и система управления, 2 - полиспаст и грузозахватное устройство (ГЗУ), 3 - установка барабана, 4 - трансмиссия (в общем случае включающая в себя редуктор и соединительные муфты), 6 - тормоз(а). В некоторых кинематических схемах также присутствует открытая зубчатая передача (5 модуль), в некоторых - вместо модулей электродвигателя с системой управления и трансмиссии присутствует общий модуль мотора-редуктора и системы управления. Составлены выражения для определения параметров, вошедших в векторный критерий качества, а также разработана система необходимых ограничений, накладываемых как на всю систему механизма, так и на его отдельные модули.

Первой стадией поиска оптимального решения согласно методу Парето является формирование множества возможных решений X. Предлагается определять данные множества отдельно для каждого из модулей. Для этого необходимо предварительно составить базы данных частных решений для каждого модуля. Для 1 модуля в базу данных входят все доступные к применению на конкретном производстве варианты электродвигателей и систем управления; для 2 модуля - варианты доступных ГЗУ (помимо серийных в базу данных следует внести разработанные ранее или специально для проектируемого крана оригинальные ГЗУ) и грузовых канатов; для 3 модуля - ряд стандартных диаметров барабана; для 4 модуля - доступные варианты редукторов и соединительных муфт (в том числе оригинальных, разработанных ранее или специально для проектируемого крана), для 5 модуля - ряд стандартных модулей зубчатых передач, для 6-го модуля — все доступные варианты тормозов (серийных и оригинальных).

Для 1 модуля в область возможных решений А'попадают только такие сочетания двигателей и систем управления, которые удовлетворяют условиям по мощности, нагреву и требуемому диапазону и характеру регулирования скорости. Для 2 модуля необходимо проверить различные варианты кратности полиспаста, для каждого варианта подобрать канат, блоки и ГЗУ. В область возможных решений попадают варианты, удовлетворяющие условиям прочности каната, наличия ГЗУ, соответствующего по грузоподъемности, числу и диаметру блоков. Для третьего модуля проверяются различные варианты диаметра барабана, для каждого из вариантов определяются остальные параметры барабана, размеры оси (вала) барабана, подбираются подшипники. В область возможных решений попадают решения, удовлетворяющие условию минимального перегиба грузового каната. Для 4 модуля при формировании области возможных решений необходимо от-

бросить редукторы, заведомо не соответствующие по передаточному отношению и максимальному передаваемому крутящему моменту ни при каких значениях номинальных оборотов двигателя, кратности полиспаста, диаметра барабана, передаточного отношения открытой передачи. В область возможных решений для 4-го модуля попадают все редукторы, параметры которых находятся в указанных пределах, с сопутствующими им быстроходными муфтами (для кинематических схем, не содержащих открытую передачу, также и с муфтами тихоходного вала). Для 5 и 6 модулей область возможных решений формироваться не будет, определение параметров открытой зубчатой передачи, и подбор тормоза будут выполняться индивидуально для каждого полученного для всей системы общего решения в последнюю очередь.

Следующим этапом оптимального проектирования согласно методу Парето является формирование множества парето-оптимальных решений. Задача формирования данного множества состоит в выборе из всех существующих возможных частных решений для отдельных модулей таких сочетаний, которые полностью удовлетворяют всем накладываемым на систему механизма и его отдельные модули ограничениям, и между которыми невозможно задать четкое предпочтение. При этом исключаются варианты сочетаний, уступающие хотя бы одному парето-оптимальному решению по всем параметрам векторного критерия качества. Для решения поставленной задачи предложено применить метод динамического программирования, с одной стороны, позволяющего гарантированно находить положение глобального экстремума, с другой стороны, имеющего значительное преимущество в быстродействии перед методом последовательного перебора.

Для реализации метода динамического программирования применительно к поставленной задаче необходимо ввести дополнительный параметр к - степень редукции. С помощью степени редукции можно описать, насколько понижена скорость подъема груза на каждом из модулей механизма, поскольку она имеет общую размерность для всех модулей, в отличие от номинальной частоты вращения двигателя, диаметра барабана, кратности полиспаста и передаточных чисел редуктора и открытой передачи.

Для модулей с 1 -го по 5-ый степень редукции определится следующим образом:

"./■ А™, „ "р/ „ _

Ид»/ Мп А/ Мрт/л иоатт

где идв/, ипГ, Ду, иеГ, иоп - соответственно обороты двигателя, кратность полиспаста, диаметр барабана, передаточные числа редуктора и открытой передачи для некоторого /-го решения,/— номер решения в базе данных для соответствующего модуля.

Степень редукции для всей системы определится: и = и,г и2/ • и3/ • и4/ • и5/.

Первоначально формируются множества частных парето-оптимальных решений для первых 4 модулей, причем множество строится отдельно для каждой степени редукции. Алгоритм формирования множества частных парето-оптимальных решений приведен на Рис. 7.

Рначало4)

Ч У

<р Г^ .

/ X-,. Х>1. Хи /

1~с» ¡1тс*.р !т а* ту. Нла^гт-ах! ¿рсх^ГГС»:

1=1

Для обозначения отдельных решений вводятся следующие индексы: / - номер рассматриваемого модуля (шага),у, - номер степени редукции для /-го модуля, п - номер частного парето-оптимапьного решения в формируемом множестве частных парето-оптимальных решений, полученных для г'-го модуля и у'-ой степени редукции,/"- номер решения в соответствующей базе данных.

Предложенный алгоритм на основании составленных баз данных всех решений для каждого из 4 первых модулей А'/, Ху, Х:ф Сформирует множество па-рето-оптимальных решений Х1/п для каждого модуля и степени редукции. После-

довательно перебираются все варианты из базы данных для каждого модуля / и степени редукции j, каждое решение Х^ проверяется на принадлежность к множеству возможных решений (блок 7). Далее рассматриваемое решение последовательно сравнивается с помощью векторного критерия качества со всеми парето-оптимальными решениями Ху„ для /-го модуля с /-ой степенью редукции (блоки 10, 11), если оно превосходит какое-либо из парето-оптимальных решений по всем параметрам векторного критерия, то оно записывается вместо него в формируемое множество, а старое решение исключается (блок 14). После чего данное решение Х^ сравнивается с остальными парето-оптимальными решениями, если оно превосходит также и какие-либо иные решения, они тоже удаляются из формируемой области. Если рассматриваемое решение уступает какому-либо решению Ху„ — осуществляется переход к рассмотрению следующего решения (блок 18). Если между рассматриваемым решением Х^и всеми ранее найденными паре-то-оптимальными решениями Х,;„ невозможно установить четкое предпочтение, оно записывается как новое парето-оптимальное решение Ху„+\ (блок 15).

Следующим этапом поиска оптимального решения механизма подъема груза является формирование множества общих парето-оптимальных решений для всей системы механизма подъема груза. Алгоритм поиска (Рис. 8) реализует метод динамического программирования, последовательно рассматривая сначала сочетания полученных частных парето-оптимальных решений для первого и второго модуля и составляя при этом множество общих парето-оптимальных решений для первых двух модулей. Далее, при изучении сочетаний частных парето-оптимальных решений для третьего модуля с общими парето-оптимальными решениями, полученными для двух первых модулей, формируется множество общих парето-оптимальных решений для первых трех модулей. Затем рассматриваются сочетания полученных общих парето-оптимальных решений для трех первых модулей с частными парето-оптимальными решениями для четвертого модуля, при этом формируется множество общих парето-оптимальных решений для первых 4 модулей. После выполнения аналогичной процедуры для 5 и 6 модулей будет получено множество парето-оптимальных решений для всей системы. Для обозначения рассматриваемых решений вводятся следующие индексы: ^ — номер рассматриваемой кинематической схемы, г - номер общего парето-оптимального решения X,.-, полученного на текущем /-ом шаге при степени редукции у; — номер степени редукции для общих парето-оптимальных решений, полученных на предыдущем шаге (при рассмотрении «;-1»-го модуля); т — номер общего парето-оптимального решения Х^ьт полученного на предыдущем «/-1»-ом шаге и степени редукции к, yi - степень редукции, получаемая на текущем /-ом шаге при сочетании 72-го частного парето-оптимального решения Хуп, полученного для /-го модуля при степени редукции с общим парето-оптимальным решением Хикт, полученным на предыдущем «/-1»-ом шаге при степени редукции к и имеющим номер т. При этом справедливо выражение:

и,:,.= • и,-.и-

Рис 8. Алгоритм формирования множества общих парето-оптимальных решений для кинематических схем с открытой зубчатой передачей

На Рис. 8 показан алгоритм формирования множества парето-оптимальных решения для кинематических схем, содержащих открытую передачу, как наиболее сложный вариант. Для первых 4 модулей общие парето-оптимальные решения образуются как сочетание частных парето-оптимальных решений для рассматриваемого модуля Ху„ с общими парето-оптимальными решениями, полученными на предыдущем шаге (для всех уже рассмотренных ранее модулей) Х^,. Степени редукции рассматриваемого общего решения и сравнивается с полученными ранее иу (блок 10). Если подобная степень редукции ранее встречалась, то по предложенному алгоритму рассматриваемое решение сравнивается с полученными ранее парето-оптимальными решениями А',- с той же степенью редукции и,, (блоки 15, 16). Если данная степень редукции получена впервые, решение запоминается

как первое парето-оптимальное решение с этой степенью редукции (блок 13). В результате формируются множества парето-оптимальных решений на каждом шаге, вплоть до пятого. На пятом шаге для каждого из общих парето-оптимальных решений, полученных для 4 первых модулей, определяются оптимальные параметры открытой зубчатой передачи таким образом, чтобы обеспечить заданную скорость подъема груза (блок 35). Все полученные на 5 шаге решения будут иметь одинаковую степень редукции, поэтому могут быть обозначены просто Х5- Сравнивая все полученные решения с помощью аналогичного алгоритма (36, 37), формируем множество общих парето-оптимальных решений для 5 модулей. На последнем шаге для каждого решения рассматриваются различные варианты тормозов, при этом каждое полученное решение окончательно проверяется по всем ограничениям, накладываемым на всю систему (51). Таким образом формируется область общих парето-оптимальных решений для всей системы для рассматриваемого варианта кинематической схемы (53, 54). На последующей стадии сравниваются общие парето-оптимальные решения, полученные для разных кинематических схем по алгоритму, близкому к приведенному на Рис. 7. В итоге окончательно формируется множество парето-оптимальных решений для механизма подъема груза.

Для кинематических схем, не содержащих открытую зубчатую передачу, алгоритм будет несколько отличаться от приведенного выше. Так на 4 шаге после выбора редуктора все рассматриваемые общие решения будут проверяться на соответствие заданной скорости подъема груза. Решения, для которых скорость будет отличаться более, чем на 15% от заданной, будут исключаться. Кроме того, алгоритм предусматривает только 5 шагов, поскольку отсутствует открытая зубчатая передача.

В случае, если полученное множество парето-оптимальных решений для механизма окажется слишком широким для того, чтобы ЛПР смог сделать осознанный выбор окончательного решения, рекомендовано воспользоваться методом последовательного сужения множества Парето. Рассматривая предложенный векторный критерий качества, можно сделать вывод, что габаритные размеры механизма являются наименее значимыми из входящих в него параметров. Поэтому, реализуя метод последовательного сужения, полученное множество Парето следует повторно исследовать с помощью упрощенного векторного критерия, содержащего только три первых компоненты, при этом может быть введено дополнительное условие, позволяющее исключить решения, имеющие заведомо большие габариты. В случае, если и данная процедура не позволит получить достаточно узкое множество Парето, для его дальнейшего сужения рекомендуется модифицированный метод целевого программирования. Для каждого из решений, входящих во множество Парето, определяется значение метрики р(х;), обозначающей расстояние между рассматриваемым решением и идеальным вектором, составленным из наименьших значений массы и стоимости механизма и наибольшего значения КПД:

= (П)

где / - номер компоненты векторного критерия качества,/ - номер решения, /¡¡ — значение /-критерия для у-го решения,/",,^ - наименьшее значение /-критерия для всех решений множества, ш- число компонент векторного критерия (ш=3).

На основании значений метрики множество Парето может быть сокращено до размера, позволяющего ЛПР произвести выбор окончательного решения для механизма подъема груза.

В четвертой главе рассматривается вопрос оптимального проектирования механизмов передвижения крана и грузовой тележки козловых кранов ВКО. По результатам проведенного анализа определены различные компоновки механизма передвижения, отличающиеся общим числом ходовых колес, числом крановых рельсов для механизма передвижения крана, числом приводных колес и числом приводов. Также выявлено 6 различных вариантов кинематической схемы привода механизма, отличающиеся наличием или отсутствием открытой передачи, вариантом соединения тихоходного вала редуктора с валом ходового колеса, а также использованием редуктора или мотора-редуктора. Как и для механизма подъема груза, ЛПР на предварительной стадии должно выбрать предпочтительные для рассматриваемого механизма компоновки механизма и кинематические схемы его привода. Далее сначала строится множество Парето для каждого сочетания отобранных ЛПР компоновок и кинематических схем, после чего полученные для различных сочетаний парето-оптимальные решения сравниваются между собой.

Векторный критерий оценки качества решения для механизма передвижения отличается от предложенного для механизма подъема груза отсутствием габаритных размеров, поскольку для размещения механизмов передвижения не требуется увеличение габаритов грузовой тележки или металлоконструкции крана, т.е. размеры привода механизма передвижения не оказывают существенного влияния на массу крана.

Составленная математическая модель механизма передвижения описывает его как сложную систему, состоящую из следующих модулей: 1 — модуль электродвигателя и системы управления; 2 - модуль приводных и неприводных колесных установок; 3 — модуль трансмиссии, включающий в себя редуктор, при необходимости соединительные муфты и трансмиссионные валы; 4 — модуль открытой зубчатой передачи, данный модуль используется при необходимости приведения нескольких приводных колес от одного двигателя, а также для дополнительного понижения скорости механизма; 5 - модуль тормоза; 6 -объединенный модуль металлических конструкций всех балансиров.

На первом этапе поиска оптимального решения формируются множества возможных решений для первых трех модулей, для 4 и 5 модулей области возможных решений не формируются.

Алгоритм поиска оптимального решения для механизмов передвижения в целом близок к алгоритму, составленному для поиска оптимального решения механизма подъема груза. Аналогичным образом сначала составляются множества Парето для каждого сочетания рассматриваемых компоновок механизма с кинематической схемой привода по алгоритму, аналогичному показанному на Рис. 8,

далее все полученные при этом решения сравниваются между собой, в результате окончательно формируется множество Парето для механизма передвижения.

В пятой главе решается задача оптимального проектирования металлоконструкций козловых кранов высокого класса ответственности. Поскольку данные краны изготавливаются единичными сериями, из рассмотрения исключаются менее технологичные ферменные металлоконструкции.

Оптимальное проектирование металлоконструкций включает в себя структурную и параметрическую оптимизацию. Первая заключается в определении оптимального варианта пространственной структурной схемы металлоконструкции, вторая - в выборе оптимальных параметров поперечного сечения ее отдельных элементов.

На основании проведенного анализа металлоконструкций козловых кранов ВКО выявлено три базовые пространственные структурные схемы: схема с двух-балочным пролетным строением, схема с однобалочным пролетным строением и неразветвленными опорами, схема с однобалочным пролетным строением и разветвленными опорами. Каждая из базовых схем может быть усложнена введением в нее дополнительно рабочих или нерабочих консолей, боковых, задних и малых подкосов, а также других элементов.

Для оптимального проектирования металлоконструкций составлен векторный критерий качества, включающий в себя металлоемкость (как показатель, определяющий энергопотребление крана, затраты на приобретение материалов и проведение монтажа), а также затраты, непосредственно связанные с трудоемкостью изготовления, оказывающие влияние на стоимость изготовления крана. Затраты, непосредственно связанные с трудоемкостью изготовления металлоконструкции, могут определены как

^ _ ^обр+сб >-робр-К:б ^ грсв

где Зиоор+со - средняя величина почасовой оплаты труда при обработке и сборке; Т°ор+со - трудоемкость обработки и сборки; 3„св- средняя величина часовой заработной платы для сварочных работ; Т°в - трудоемкость сварки.

Для формирования множества парето-оптимальных решений задачи структурной оптимизации металлоконструкции козловых кранов предложен метод синтеза пространственных структурных схем металлоконструкций, позволяющий рассматривать все возможные варианты пространственных структурных схем, в том числе неизвестных ранее, а также различные варианты закрепления элементов металлоконструкции. Алгоритм метода приведен на Рис. 9.

Метод включает в себя следующие этапы. Исходный вариант металлоконструкции разбивается на элементы (блок 2), на каждый из которых наносятся узловые точки, к которым относятся: точки начала и конца каждого стержня, а также точки, полученные нанесением на стержень сетки с некоторым шагом, заданным ЛПР (блоки 5, 6). Далее рассматривается возможность внесения в исходную схему новых элементов, полученных соединением двух узловых точек. Последовательно соединяя каждую из узловых точек с остальными, получаем новый стержневой элемент, который затем проверяется на возможность добавления

решений методом синтеза пространственных структурных схем

в исходную схему. Вводимый стержень должен удовлетворять следующим условиям: не должен совпадать с уже имеющимися элементами, не должен пересекать рабочую зону крана и нарушать условия работы гибкой или шарнирной опоры при их наличии (блок 9). Для полученного после введения рассматриваемого стержня варианта металлоконструкции определяются оптимальные параметры поперечных сечений элементов в подпрограмме (блок 10), а также значения параметров, вошедших в векторный критерий качества (блок 11), которые сравниваются с параметрами исходного варианта (блок 12). Для решений, превосходящих исходный вариант по всем параметрам векторного критерия качества, уточняются оптимальные длины элементов и способы их закрепления (жесткое или шарнирное) в подпрограмме (блок 13), полученные решения сравниваются между собой по алгоритму, примененному ранее для оптимизации механизмов (блоки 15, 17). Из полученного в результате множества решений ЛПР должно быть отобрано уз-

кое число вариантов (желательно один), которые будут являться исходными при повторном исследовании по тому же алгоритму. В случае, если добавление любого нового элемента не приводит к снижению металлоемкости и затрат, связанных непосредственно с трудоемкостью изготовления, исследование данного варианта заканчивается. Таким образом должны быть получены множества парето-оптимальных решений для каждой из трех базовых схем, в дальнейшем все полученные решения сравниваются между собой по аналогичному алгоритму, при этом окончательно формируется множество Парето для металлоконструкции крана. В случае, если полученное множество окажется слишком широким для того, чтобы ЛПР смог произвести осознанный выбор, необходимо провести сужение области Парето-методом модифицированного целевого программирования с помощью метрики вида (11).

Параметрическая оптимизация элементов предполагает выбор оптимального варианта поперечного сечения и его параметров. Для этого последовательно рассматривается несколько предварительно выбранных ЛПР вариантов поперечного сечения, которые в дальнейшем сравниваются между собой по алгоритму, подобному используемому ранее для сравнения решений для различных систем и построения множества парето-оптимальных решений. В рамках каждого варианта поперечного сечения поиск осуществляется по упрощенному критерию оптимизации в виде металлоемкости. Алгоритм подпрограммы параметрической оптимизации состоит из двух этапов, на первом этапе определяется область расположения глобального минимума методом ЛП-поиска (сканирования), для этого на ось каждой из переменных предварительно наносится сетка. Например, для прямоугольного поперечного сечения рекомендуется для высоты и ширины сечения наносить сетку с шагом 100 мм, для толщин элементов шаг сетки определяется сортаментом выпускаемого промышленностью листового проката. Далее все возможные сочетания полученных при нанесении сетки точек проверяются на выполнение условия прочности. Для сочетаний, удовлетворяющих данному условию, выбираются оптимальные параметры расстановки различных ребер жесткости для обеспечения выполнения прочих накладываемых ограничений (жесткости, местной устойчивости и других), после чего определяется общая металлоемкость элемента. В окрестностях точки, для которой было получено минимальное значение металлоемкости, на втором этапе ищется положение глобального минимума. Для этого рекомендовано применение модифицированного метода конфигураций Хука-Дживса, отличающегося от стандартного тем, что вместо движения по образцу на каждом шаге определяется направление наибольшего убывания, и делается шаг в этом направлении. Для каждого пробного шага необходимо проверять условие существования получаемого решения по условиям прочности, жесткости, устойчивости, технологичности и др. Если ни одно из направлений не дает убывания металлоемкости, необходимо уменьшить шаг поиска вдвое. Алгоритм останавливается, если достигнуто заданное минимальное значение шага.

В подпрограмме определения оптимальных длин элементов каждой рассматриваемой структурной схемы (Рис. 10) также используется модифицированный метод конфигураций Хука-Дживса.

РНачало

рассматриваемой структурной схемы

В этом случае может быть использован упрощенный критерий оптимизации в виде металлоемкости. В подпрограмме (Рис. 10) поочередно рассматривается возможность увеличения (блок 5) или уменьшения (блок 11) каждого стержня на некоторое заданное значение шага Д. Для каждого из рассматриваемых вариантов металлоконструкции определяется оптимальное закрепление всех стержней методом последовательного перебора, проводится параметрическая оптимизация сечений всех элементов (блоки 6,12), вычисляется металлоемкость М полученного решения, которая сравнивается с металлоемкостью исходного варианта М0 (блоки 7,13). Для вариантов, приводящих к снижению М, определяется приращение металлоемкости АМ, далее делается шаг в направлении, дающем наибольшее значение АМ (блоки 20, 21), если изменение длины всех элементов схемы не приводит к снижению металлоемкости, шаг поиска уменьшается вдвое (блок 23) и процедура поиска повторяется. Поиск заканчивается, когда шаг А становится меньше или равен заданному минимальному значению е.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, а именно: предложено развитие теории оптимального проектирования грузоподъемных машин применительно к козловым кранам высокого класса ответственности. На основании решения данной научной задачи получены следующие выводы и результаты исследования:

1. В качестве критериев идентификации кранов высокого класса ответственности следует использовать число людей, здоровью которых может быть нанесен урон при возникновении опасных событий, вызванных отказом крана, а также общую величину потенциального экономического и экологического ущерба в денежном выражении.

2. Для количественной оценки безопасности эксплуатации козловых кранов ВКО предложено использовать вероятностный анализ безопасности с использованием логико-графического метода построения и анализа дерева отказов. Даны рекомендации по назначению величины «приемлемого риска» для опасных событий, возникающих при отказе козловых кранов ВКО, в зависимости от возможного числа пострадавших и величины потенциального ущерба. Для случаев, когда число пострадавших и потенциальный ущерб не могут быть определены с достаточной точностью, предложены значения «приемлемого риска» на основании класса опасности объекта, на котором установлен кран, в соответствии с Федеральным Законом «О промышленной безопасности», Градостроительным Кодексом РФ и другими нормативными актами.

3. При определении коэффициентов запаса прочности отдельных элементов козловых кранов ВКО необходимо учитывать величину потенциального ущерба от опасных событий, к которым способен приводить отказ крана, влияние элемента на общую безопасность системы, а также предполагаемый срок эксплуатации и группу классификации режима работы крана. Предложен метод определения коэффициентов запаса прочности элементов механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО с учетом всех перечисленных факторов, метод апробирован на козловом кране К2х180/50/10 Саратовской ГЭС, получены адекватные результаты.

4. Для оптимального проектирования механизмов, а также для структурной оптимизации несущей металлической конструкции козловых кранов ВКО следует использовать метод многокритериальной оптимизации, основанный на применении принципа Парето. Для параметрической оптимизации металлоконструкций предложено применять метод ЛП-поиска для первоначального определения области, в которой находится глобальный экстремум, и модифицированный метод Хука-Дживса для нахождения его точного положения.

5. В состав векторного критерия оценки качества решения задач многокритериального оптимального проектирования механизмов подъема груза следует включать массу, себестоимость, КПД и габаритные размеры механизма; механизмов передвижения кранов и грузовых тележек — массу, себестоимость и

КПД механизма; металлоконструкций козловых кранов ВКО — массу металлоконструкции и затраты, связанные непосредственно с трудоемкостью ее изготовления.

6. Применение для формирования множеств парето-оптимальных решений механизмов козловых кранов ВКО метода динамического программирования позволяет автоматизированно рассмотреть все возможные сочетания различных комплектующих механизма и гарантированно найти все парето-оптимальные решения. На основании метода динамического программирования разработаны методы и алгоритмы формирования множеств парето-оптимальных решений для механизмов подъема груза и передвижения козловых кранов ВКО и их грузовых тележек. Предлагаемые методы были апробированы на механизмах крана для обслуживания машзала АЭС грузоподъемностью 15 тс, в результате для механизма подъема груза получено снижение себестоимости механизма на 9.3%, снижение эксплуатационных затрат механизма - на 11.5%, снижение массы механизма - на 38%, для механизма передвижения крана достигнуто снижение себестоимости на 13.2%, снижение эксплуатационных затрат - на 17.4%, снижение массы механизма -на 21%.

7. Предложен метод синтеза пространственных структурных схем металлоконструкций козловых кранов ВКО, позволяющий рассматривать все возможные варианты пространственных структурных схем, в том числе неизвестные ранее, а также различные варианты закрепления элементов металлоконструкции, разработаны алгоритмы, реализующие данный метод. Составлены методика и алгоритм параметрической оптимизации элементов металлоконструкции с помощью методов ЛП-поиска и Хука-Дживса. С их помощью проведена оптимизация металлоконструкции козлового крана К2х100 для строительства атомных электростанций, получена новая структурная схема, достигнуто снижение металлоемкости на 18,7% по отношению к базовому варианту.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах: Научные издания из перечня ВАК РФ

1. Кобзев, P.A. Особенности расчета остаточного ресурса кранов для обслуживания гидроэлектростанций по критериям безопасности [Текст] // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула: ТулГУ, 2006. - Вып.7. - С. 174-177.

2. Кобзев, P.A. Испытание на усталость металлических образцов, имеющих концентраторы сварных напряжений и коррозионные поражения [Текст] / P.A. Кобзев, А.Г. Полицын // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула: ТулГУ, 2006. - Вып.7. - С. 212-217.

3. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация пространственных крановых конструкций варьированием длинами входящих стержней и точками их закрепления [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. — Орёл: ОрёлГТУ, №2(33), 2011. -С.97-100.

4. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация металлоконструкций козловых кранов [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №4(35), 20 И.-С. 43-50.

5. Кобзев, P.A. Выбор целевой функции оптимального проектирования металлических конструкций козловых кранов [Текст] / P.A. Кобзев, Н.М. Чернова // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №3(58), Вып. 2,2011. - С. 252-255.

6. Кобзев, P.A. Использование вероятностного анализа безопасности при оптимальном проектировании металлоконструкций кранов высоких классов ответственности [Текст] / P.A. Кобзев, Н.М. Чернова // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №3(58), Вып. 2,2011. - С.255-259.

7. Кобзев, P.A. Определение коэффициента запаса элементов грузоподъемных кранов высоких классов ответственности с использованием методов анализа риска отказа [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №2(37), 2012. - С. 91-95.

8. Кобзев, P.A. Выбор метода оптимального проектирования металлических конструкций козловых кранов высоких классов ответственности [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. — Орёл: ОрёлГТУ, №4(39), 2012. — С. 48-52.

9. Кобзев, P.A. Классификация и расчет зубчатых передач типа Зк-h на основе метода графического синтеза [Текст] / P.A. Кобзев, Н.М. Чернова // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №1(69), Вып. 2, 2013. - С.118-122.

10. Кобзев, P.A. Определение нагрузок на металлические конструкции козловых кранов от действия перекосных усилий при проектировании [Текст] / Р.А.Кобзев, Н.М.Чернова // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула: ТулГУ, 2013. -№.5. —С. 77-83.

11. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация металлоконструкций специальных козловых кранов. [Текст] // Мир транспорта и технологических машин.-Орёл: ОрёлГТУ,№2(41), 2013.-С. 81-84.

12. Кобзев, P.A. Анализ задач параметрической и структурной оптимизации металлоконструкций тяжелых козловых кранов и методов их решения [Текст] / Л.В.Барановская, Р.А.Кобзев // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №2(71), Вып. 2, 2013.-С. 220-224.

13. Кобзев, P.A. Проектирование кранов особо высокого класса ответственности с использованием риск-анализа [Текст] // Подъемно-транспортное дело. -М.: «Подъемтранссервис», 2013. — №2. - С.2-4.

14. Кобзев, P.A. Синтез пространственных структурных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №4(43), 2013. - С. 56-60.

15. Кобзев, P.A. Многокритериальное оптимальное проектирование механизмов подъема с применением динамического программирования [Текст] // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №2(75), 2014. - С. 108-112.

16. Кобзев, P.A. Многокритериальное оптимальное проектирование механизмов передвижения козловых кранов с применением динамического программирования [Текст] // Современные проблемы науки и образования. — 2014.

- № 4; URL: http://4vww.science-education.rU/118-14368 (дата обращения: 20.08.2014).

17. Кобзев, P.A. Обеспечение безопасности эксплуатации козловых кранов высокого класса ответственности при проектировании [Текст] // Вестник СГТУ. -Саратов: СГТУ, №2(75), 2014. - С. 113-117.

Монографии

18. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование механизмов подъема козловых кранов особо высокого класса ответственности: монография [Текст] / P.A. Кобзев, В.Д. Павлюк. - М.: Издательство «Перо», 2014.-178 с.

19. Кобзев, P.A. Безопасность эксплуатации козловых кранов особо высокого класса ответственности: монография [Текст]. - Саратов, СГТУ, 2014. -148 с.

Работы, опубликованные в международных сборниках

20. Кобзев, P.A. К вопросу определения ресурса тяжелых козловых монтажных кранов [Текст] / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев // Труды межд. науч.-техн. конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2001". - СПб: СПбГТУ, 2001. - С. 40-44.

21. Кобзев, P.A. К вопросу определения усталостной долговечности корродированного металла [Текст] // Сборник трудов межд. научн.-техн. конференции "Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин". - Саратов: СГТУ, 2002. - С. 120-123.

22. Кобзев, P.A. Применение принципа Парето к оптимальному проектированию механизмов передвижения кранов [Текст] / P.A. Кобзев, Н.М. Чернова // Труды V межд. научн.-практ. интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации». - Пенза: РГУИТП, 2012. - С. 325-326.

23. Кобзев, P.A. Особенности проектирования кранов особо высокого класса ответственности [Текст] // Материалы межд. научн.-техн. конференции «Интерстроймех-2013» «Инновации в науке-инновации в образовании». -Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С. 116-120.

24. Кобзев, P.A. Определение максимальных значений эквивалентных напряжений в крановых конструкциях коробчатого сечения градиентными методами [Текст] / JI.B. Барановская, P.A. Кобзев // Сборник научных трудов SWorld. - Одесса: Куприенко C.B., 2013. - Т. 9. - № 3. - С.38-42.

25. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование механизмов подъема грузоподъемных машин с применением динамического программирования [Текст] / Л.В. Барановская, P.A. Кобзев // Сборник научных трудов SWorld. -Одесса: Куприенко C.B., 2013. - Т. 9. - № 3. - С.69-73.

Работы, опубликованные в других изданиях

26. Кобзев, P.A. Остаточный ресурс работоспособности кранов [Текст] / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев // Сборник трудов I Всероссийской научн.-метод. конференции с международным участием "Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров». - Саратов: СГТУ, 2000. - С. 279-280.

27. Кобзев, P.A. Алгоритм определения усилий в поясах и раскосах балки решетчатой конструкции [Текст] / А.П. Зубов, P.A. Кобзев // Сборник трудов

научн.-техн. конференции «Проблемы разработки новых технологий и оборудования для предприятий строительной, машиностроительной, химической и энергетической промышленности». - Саратов: Cl ТУ, 2000. - С. 71 -77.

28. Кобзев, P.A. Определение остаточного ресурса кранов легкого режима [Текст] // Материалы науч. конф. "Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин". — Астрахань: АГТУ, 2002. — С. 207-209.

29. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование крановых решетчатых конструкций [Текст] / А.П. Зубов, А.П. Кобзев, P.A. Кобзев // Сборник научных трудов межвузовской научн. конференции «Современные проблемы нелинейной механики конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами». — Саратов: СГТУ, 2002. - С. 55-58.

30. Кобзев, P.A. Влияние коррозионной усталости на остаточный ресурс кранов для обслуживания гидроэлектростанций [Текст] / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев // Материалы научн.-техн. конференции «Подъёмная безопасность при эксплуатации подъемно-транспортных машин». - СПб: Астерион, 2003. — С. 118-119.

31. Кобзев, P.A. Строительная механика и металлоконструкции подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин [Текст] / A.B. Вершинский, А.П. Кобзев, РА. Кобзев [и др.]. - Саратов: СГТУ, 2004. - 219 с.

32. Кобзев, P.A. Козловые краны и мостовые перегружатели [Текст] / P.A. Кобзев, А.П. Кобзев. - Саратов: СГТУ, 2005. - 96 с.

33. Кобзев, P.A. Диагностика редкоиспользуемых грузозахватных устройств, используемых на кранах высоких классов ответственности [Текст] / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев // Сборник докладов и сообщений первого Уральского подъемно-транспортного Конгресса. — Екатеринбург: ЗАО УЭЦ, 2008. - С. 93-96.

34. Кобзев, P.A. Применение методов анализа риска для оценки безопасности эксплуатации кранов высоких классов ответственности [Текст] // Сборник научных трудов по материалам Г региональной научн.-техн. конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства». - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 179-182.

35. Кобзев, P.A. Выбор критериев оптимального проектирования специальных козловых кранов ГЭС [Текст] / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев // Сборник научных трудов по материалам Г региональной научн.-техн. конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства». — Саратов: СГТУ, 2009. - С. 183-184.

36. Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин [Текст]: отчет о НИР (заключ.), СГТУ; рук. А.П.Кобзев; исполн.: P.A. Кобзев, Н.М. Чернова [и др.] - 143 с. №ГР01.2.00 901036.

37. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация при анализе конструкций пролетных строений и опор кранов мостового типа [Текст] // Сборник научных трудов Ш Всероссийской науч.-техн. конференции «Информационные технологии, автоматизация, системы автоматизированного проектирования

промышленных систем и строительных объектов». - Саратов: СГТУ, 2011. - С.98-101.

38. Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин [Текст]: отчет о НИР (заключ.), СГТУ; рук. А.П.Кобзев; исполн.: P.A. Кобзев, Н.М. Чернова [и др.]. - 139 с. №ГР01200901036, Инв.№0220.1 258635.

39. Кобзев, P.A. Системный подход при разработке САПР механизмов кранов с применением методов многокритериальной оптимизации [Текст] / P.A. Кобзев, Н.М. Чернова // Сборник научных трудов по материалам III региональной научн.-техн. конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства». - Саратов: СГТУ, 2012. - С. 227230.

40. Кобзев, P.A. Специальные краны [Текст] / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев. — Старый Оскол: ТНТ, 2013. - 472 с.

41. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование механизма передвижения крана мостового для обслуживания машинного зала АЭС [Текст] / P.A. Кобзев, Н.В. Путро, Н.М. Чернова // Глобальная ядерная безопасность. — М.: МИФИ, №2(7), 2013.-С. 35-39.

42. Кобзев, P.A. Применение метода многокритериальной оптимизации к исследованию механизма главного подъема полярного крана Балаковской АЭС [Текст] / P.A. Кобзев, Н.М. Чернова // Глобальная ядерная безопасность. - М.: МИФИ. №3(8), 2013.-С. 31-36.

43. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование механических систем машин с применением метода динамического программирования и принципа Парето [Текст] / А.П.Кобзев, P.A. Кобзев, Д.В. Шаркова//Межвузовский сборник научно-технических статей. Выпуск 34. - Вольск: ВВИМО, 2014. - С. 209-215.

Патенты

44. Патент RU 2489343, МПК В66С 1/00. Грузозахватное устройство для подъема и транспортирования мобильных машин и крупногабаритных штучных грузов / А.П. Кобзев, P.A. Кобзев, Д.С. Мамаев // - №2012103217, Заявл. 30.01.2012 г.; опубл. 10.08.2013 г., бюл. №22.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах. В изданиях, рекомендованных ВАК: [1] - обзор состояния вопроса, постановка задачи, планирование и выполнение эксперимента, обработка полученных данных; [5] -анализ критериев оптимизации, выбор целевой функции; [6] — вероятностный анализ безопасности металлоконструкции мостового крана; [9] — определение оптимальных параметров оригинального планетарного редуктора; [10] — составление математической модели для определения перекосных усилий металлоконструкций; [12] — постановка задачи, выбор целевой функции, разработка ограничений, выбор метода оптимизации. В патенте [18] — разработка конструкции грузозахватного устройства для опасных грузов. В монографиях: [19] - постановка задачи, выбор критерия качества, разработка алгоритма поиска оптимального решения. В международных сборниках: [19] — анализ и выбор критериев оценки остаточного ресурса, планирование эксперимента; [22] - анализ критериев оптимизации, раз-

работка алгоритма получения множества выбираемых решений; [25] - постановка задачи, выбор метода оптимизации, разработка алгоритма поиск оптимального решения; [26] - постановка задачи и разработка ограничений. В прочих публикациях: [27] - анализ критериев долговечности кранов, разработка методики оценки долговечности; [28] - выбор критерия оптимизации, разработка алгоритма поиска оптимального решения; [30] - выбор метода оптимизации, анализ ограничений; [31] - анализ влияния коррозии на долговечность металлоконструкции крана, планирование эксперимента; [32] - расчет стержневых систем с помощью ЭВМ, анализ и расчет металлических конструкций козловых кранов и мостовых перегружателей; [33] - анализ конструкций и оптимальное проектирование механизмов подъема и передвижения; [34] — анализ безопасности специальных грузозахватных траверс высокого класса ответственности; [36] — анализ и выбор критериев оптимизации; [37] - оптимальное проектирование металлоконструкций козловых кранов; [39] - оптимальное проектирование механизмов козловых кранов; [40] -разработка алгоритма оптимизации; [41] - анализ и расчет козловых кранов, анализ и расчет специальных лебедок грузозахватных устройств; [42] - выбор метода и критерия оптимизации, поиск оптимального решения механизма передвижения; [43] — выбор метода и критерия оптимизации, поиск оптимального решения механизма подъема; [44] - планирование и обработка результатов численного эксперимента.

Кобзев Роман Анатольевич

МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЗЛОВЫХ КРАНОВ ВЫСОКОГО КЛАССА ОТВЕТСТВЕННОСТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 19.12.2014. Формат 60x84 '/[6. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 120 экз. Заказ № 46-0154.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@rnail.ru