автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Минимизация динамических нагрузок в элементах башенного крана на основе выбора режима движения механизма подъема

Міністерство освіти і науки України Київський національний університет будівництва і архітектури

Мінімізація динамічних навантажень в елементах баштового крана на основі оптимізації режиму руху механізма підйому

05.05.05 - Піднімально-транспортні машини

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

{емідас

УДК 621.87

Київ-2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва архітектури на кафедрі експлуатації та ремонту будівельк машин.

Науковий керівник-доктор технічних наук Ловейкін В’ячеслав Сергійови професор Київського національного університету будівництв архітекіури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Будіков Леонід Якови завідувач кафедри підйомно-транспортної техніки Східн українського державного університеїу;

Провідна установа - Одеський державний політехнічний університет, кафед]

Захист відбудеться 21 грудня 2000 року об 11 годині на засіданні спеціап зованої вченої Ради Д 26.056.08 при Київському національному університеті буді ницгва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, проспект Повітрофлотський, 31.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національної університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, проспеї Повітрофлотський, 31.

Автореферат розіслано п **^2000 р.

кандидат технічних наук, професор Андрієнко Мико.і Миколайович, голова правління науково-технічної асоціаі “Підйомні споруди”.

підйомно-транспортного і робототехнічного обладнання.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради

Сукач М.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Проведений аналіз статистичних даних про стан парку нтажопідіймальної техніки в Україні протягом десяти останніх років свідчить про нденцію до старіння цієї техніки та до збільшення кількості машин, що юдовжують експлуатуватись після досягнення ними встановленого амортизаційна строку. Умови безпечної та надійної експлуатації кранів вимагають з одного іку більшого залишкового ресурсу крана на момент досягнення цього строку, з шої - якомога повнішого його використання на протязі понадстрокової сплуатації машини. Головними елемента™ крана, що лімітують його довговіч-сть, є металоконструкції, в яких накопичуються залишкові деформації та розвиваться втомлювані тріщини. Встановлено, що головною причиною їх появи є інамічні навантаження, які виникають в металоконструкціях під час перехідних юцесів при роботі кранових механізмів. Вивчення причин виникнення цих наван-жень при пуску механізма підіймання баштового крана та розробка способів їх 'сншення приведе до поліпшення умов роботи кранів та дозволить більш повно ікористовувати їх наявний ресурс. Тому такий напрямок представленої роботи є туальним. Відповідно до обраних напрямків формулюються мета та задачі роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна ібота відповідає напрямку досліджень кафедри експлуатації і ремонту будівельних ішин (ЕіРБМ) Київського національного університету будівництва і архітектури ІНУБА), а саме напрямку “Розробка оптимальних режимів руху механізмів нтажопідіймальних машин”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в зменшенні динамічних вантажень в елементах механізмів баштових кранів шляхом здійснення ітимального керування пуском приводу механізма підіймання.

Для досягнення мети були поставлені та розв’язані такі задачі:

1) виявлено елементи, відмови яких призводять до досягнення вантажо-ціймальними кранами граничного стану;

2) встановлено причині! відмови цих елементів та проведено аналіз методів побігання їх виникнення або зменшення їх наслідків;

3) вибрано критерій мінімізації динамічних навантажень в елементах кранів;

4) оптимізовано режим пуску механізма підіймання вантажу за обраним итерієм; 1

5) показано вплив різних режимів пуску механізма підіймання на динамічні вантаження в елементах стрілової системи крана;

6) побудовано механічну характеристику приводу, яка забезпечує ггимальний режим пуску та визначено закони зміни параметрів керування для безпечення цієї характеристики;

7) визначено напрямки створення нових та модернізації існуючих систем рування електроприводами, що забезпечують зміну керуючого параметру за риманим законом;

8) розроблено методику визначення основних параметрів оптимальні режиму пуску та формування оптимального сигналу системою керування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розробці системи ди мічних та математичних моделей стрілової системи баштового крана з балочн стрілою і поліспастною системою, визначенні механічної характеристики прив< для забезпечення руху вантажу з мінімумом динамічних навантажень в елемсіг металоконструкції та створенні методики визначення закону оптимальш керування і його реалізації в приводі механізма підіймання під час пуску.

Об’єктом досліджень є механізм підіймання і металоконструкції стріло системи баштового крана з горизонтальною стрілою.

Предмет досліджень: динамічні навантаження в елементах баштового кр; під час пуску приводу механізма підіймання.

Методи досліджень. Дослідження проводились за допомогою динамічного математичного моделювання об’єкта досліджень та грунтувались на тео оптимальних рухів механічних систем. Достовірність результатів роботи досягаєті використанням стандартних спрощень та припущень, застосуванням класичі теорії диференціального числення і підтверджується співпаданням результа аналітичних розв’язків, машинного та натурного експериментів.

Практичне значення одержаних результатів.

- виявлено причини передчасного виходу з ладу елементів баштових кран

- розроблено рекомендації по зменшенню навантажень в елементах крана рахунок впровадження оптимального режиму пуску приводу механізма підійманн

- визначено напрямки створення нових та модернізації існуючих сист керування асинхронними електроприводами механізмів підіймання вантажу.

Особистий внесок здобувача.

З матеріалів дисертації та опублікованих робіт здобувачеві належать:

- визначення механічної характеристики приводу механізма підіймання р реалізації оптимального ривкового режиму пуску;

- динамічний розрахунок стрілової системи баштового крана за допомог« чотиримасової динамічної моделі;

- визначення законів зміни параметрів керування електроприводу д забезпечення бажаної механічної характеристики механізма підіймання;

- шляхи модернізації існуючих та створення нових систем керуван механізма підіймання баштового крана.

В друкованих працях, виконаних у співавторстві, співавторам належить: в { боті [1] співавтору Москв’яку Є.В. - статистичні дані про стан парку баштових к{ нів України та дані про відмови основних елементів, Назаренко І.І. - система сті рення оптимального графіку профілактичних робіт на основі обчислення показниі надійності, Ловейкіну B.C. - методика визначення оптимальних режимів руху; роботах [2, 3, 7] співавтору належать обрані критерії оптимізації та методи визначення оптимальних режимів руху, в роботі [5] - принципи розроб чотиримасової динамічної та математичної моделі крана.

з

Апробація роботи. Основні положення робота доповідались на 59 (1998 p.), 1999 р.) та 61 (2000 р.) науково-практичних конференціях КНУБА (м. Київ), сово-технічній конференції “Проблеми створення та експлуатації підйомно-тран-ггаих машин та обладнання” (ХДПУ, м. Харків, 1999), міжнародній науковій кон-гнції “Интерстроймех-2000” (ХДАДТУ, м. Харків, 2000); на засіданні технічної

і Науково-технічної асоціації “Підйомні споруди” (м. Одеса, 1999 p.), на совому семінарі Київського відділення ПТАНУ (м. Київ, 1999 p.). В цілому робота >ворювалась на науковому семінарі кафедри експлуатації і ремонту будівельних [ин КНУБА (м. Київ, 2000 p.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей та тез доповідей, в / числі 2 статті видано без участі співавторів та 4 статті вийшло в фахових іннях, затверджених “Переліком ВАК...”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, говків, бібліографічного списку літератури з 139 найменувань та додатків; ить 179 сторінку друкованого тексту, в тому числі 59 рисунків, 11 таблиць.

Автор висловлює вдячність науковому керівнику Ловейкіну В’ячеславу гійовичу за допомогу в роботі над дисертацією.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведені актуальність, наукова новизна, практичне значення та льна характеристика роботи.

У першому розділі наведено огляд науково-технічної літератури та льтати патентного пошуку в галузі дослідження динаміки вантажопідіймальних гів, вивчення динамічних навантажень, пропозицій щодо зменшення їх впливу на зи експлуатації машин, а також використання методів досліджень режимів руху юдних механізмів вантажопідіймальних машин.

Загальні дослідження динаміки вантажопідіймальних машин, наведені в ггах Голубенцева А.Н., Лащенка М.Н., Лобова H.A., Казака С.А., Комарова М.С., шова А.М., Михайленка Ф.Ф. та ін., виявили головні причини виникнення них динамічних навантажень в елементах вантажопідіймальних машин. Серед виділяють такі: перехідні процеси, що виникають під час роботи кранових інізмів; підйом вантажу, що лежить на основі (підйом “з підхватом”); жорсткість іви для укладання вантажу, зменшення тривалості пуску механізму підіймання роботі з вантажами, масою меншою максимальної (“форсований пуск”); щення роботи кранових механізмів та ін.

Окрему увагу було приділено роботам, в яких вивчався вплив динамічних нтажень на довговічність та інші показники надійності елементів метало-трукцій і деталей механізмів вантажопідіймальних машин. Дослідженнями ка С.А., Нестерова А.П., Бредихіна Ю.Р., Сергеєва С.Т. встановлено, що люваність матеріалу більшою мірою залежить від амплітуди (розмаху) коливань лля в цих елементах ніж від величини середнього значення цього зусилля.

Проведений аналіз запропонованих заходів по зменшенню величин динамічних навантажень дозволив виділити два напрямки вирішення цієї задачі.

Перший напрямок базується на конструктивних змінах кранів, і металоконструкцій, систем чи механізмів. Ці конструктивні зміни стосуютьс модернізації жорсткісних та демферуючих властивостей металоконструкцій крані; системи підвіски вантажу, елементів трансмісії механізмів тощо. До цього напрям* відносяться роботи Голубєнцева А.Н., Лобова H.A., Казака С.А., Комарова М.С Нестерова А.П., Кабанова А.М., Левіна Б.А., Гайдамаки В.Ф., Будікова Л.-і Семенюка В.Ф., Томарева В.А. Балашова В.П. та ін., а також винаходи, авторсьі свідоцтва на які також проаналізовано в цьому розділі.

Другий напрямок виник в результаті розробки загальної теорії оптимальної керування (роботи Єрофєєва М.І., Смєхова A.A., Лернера А.Е., Горського Б.Е Ловейкіна B.C. та ін.). Суть заходів цього напрямку заключається в застосувані режимів руху механізмів вантажопідіймальних машин, оптимізованих за певни критерієм. Проблемами реалізації крановими механізмами оптимальних режимів н різних стадіях руху займались такі вчені, як Дроговоз А.М., Колосов A.B., Григоро

О.В., Ловейкін B.C., Єрофєєв М.І., Зарецький А.А., Рунов М.М., Орлов О.І Хрисанов М.І., Крук Л.Д. та ін.

Проведений аналіз попередніх робіт дозволяє зробити такі висновкі динамічні навантаження, що виникають в металоконструкціях та механізмах крані під час перехідних процесів, становлять значну частку навантажень; їх змінни (коливальний) характер спричинює виникнення та розвиток втомлюваних тріщин елементах металоконструкцій; найчастіше зменшення динамічних навантажен пропонується за рахунок конструктивних змін в металоконструкціях чи підвісі вантажу; розроблена теорія оптимальних рухів механізмів машин, визначені критер оптимізації, пристосовані до руху механізмів вантажопідіймальних машин.

В другому розділі проаналізовано стан парку вантажопідіймальної технік України, зокрема баштових кранів. В результаті аналізу виявлено стійку тенденції до старіння парку вантажопідіймальних машин (рис. 1) внаслідок зменшенн списання техніки та подовження її експлуатації за межами встановленого термін; Таке подовження здійснюється з дозволу державного комітету з охорони праї Держнатядохоронпраці і регламентовано нормативно-технічними документам! Умовами можливого подовження експлуатації вантажопідіймальних машин достатній залишковий ресурс машини при закінченні терміну експлуатації.

Таким чином запропонована робота, що ставить за мету покращення умо роботи кранів, зниження динамічних навантажень та вповільнення розвитк втомлюваних тріщин і інших дефектів металоконструкцій, є актуальною узгоджується з основними положеннями державної політики в галузі збереженн парку вантажопідіймальної техніки будівельного комплексу України, спрямованої н подовження експлуатації вантажопідіймальних машин та більш повног використання їх залишкового ресурсу.

Також шляхом обробки статистичної інформації з відмов баштових кранії

Рис. 1. Діаграма зміни частки баштових кранів (у відсотках), то працювали амортизаційний строк з розподілом по вантажопідіймальності

івлено елементи, що найчастіше виходять з ладу і, таким чином, знижують їх на-іпість. На рис. 2 представлено діаграму розподілу частоти виникнення тріщин та іишкових деформацій в основних елементах баштових кранів. Як видно з пред-івлених даних, найбільш розповсюдженими дефектами є пошкодження метало-іструкцій (3/4 всіх причин списання). Найчастіше ці пошкодження виникають в :ментах ходової рами, башти та стріли. Па основі цих досліджень обрано елемент млової системи, в якому знаходяться

илля при визначенні ефективності іропонованих заходів, а саме -ікос корінної секції стріли.

В цьому розділі поставлено ювні задачі роботи, сформульовано яхи та етапи їх вирішення.

Головна задача - зменшення ди-лічних навантажень, що виникають елементах металоконструкцій баш-іих кранів - вирішується в роботі яхом реалізації оптимального режи-керування приводом механізма іймаиня вантажу на етапі пуску.

28,1%

□

Ш

ш

я

Рис. 2. Діаграма частоти виникнення пошкоджень в основних елементах баштових кранів

В третьому розділі обрано об’єкт дослідження - стрілову систему баштового та з горизонтальною стрілою та поворотною баштою КБ-403А, наведено ії ювні параметри, які використовуються при розрахунках, та складено динамічні

я

моделі, що описують рух металоконструкція і механізма підіймання вантажу.

Сформульовано вимоги, що висуваються до моделей вантажопідіймальні машин та наведено основні припущення, зроблені при моделюванні, на основі які розроблено систему динамічних моделей стрілової системи баштового крана.

Для синтезу оптимального режиму пуску і розрахунку механічн характеристики, механізм підіймання вантажу замінено двомасовою динамічно моделлю. Простота моделі дозволила розв’язати рівняння її руху аналітично • отримати механічну характеристику у вигляді аналітичних залежностей, придатні для подальших розрахунків функцій зміни параметрів керування приводом.

З метою визначення впливу способу пуску на металоконструкції та отримані більш достовірних результатів, було розроблено чотиримасову динамічну моде.1 (рис. 3), яка описує рух вантажу та стріли під дією ваги цих елементів, робочої навантаження та привідного зусилля механізма підіймання.

^ Наведена динамічна модеї

включає в себе:

т1( т2, ш3, т4 - приведе) маси відповідно приводу до о канату, що намотується на барабаї вантажу до точки підвісу, ділянк стріли від точки закріплені розчала до оголовка та корінні секції стріли до точки закріплені розчала;

X!, х2, х3, х4 - координати цеі трів відповідних приведених мас;

С. X* Шз

—

1 F„

Рис. 3. Чотиримасна динамічна модель стрілової системи баштового крана

^прі’ ГПр2, Fnp3, Fnp4 приведі ні сили рушійного моменту двигуна, ваги вантажу та елементів стріли î відповідних мас динамічної моделі; п - кратність вантажного поліспаста.

Маса т4 підтримується в рівновазі пружним елементом жорсткістю ср, яі відповідає жорсткості розчалу, маса т3 - елементом жорсткістю сс, яка відповіді поперечній жорсткості ферми стріли. Маси mt, m2, та m3 між собою зв’язаі пружним елементом жорсткістю ск, яка відповідає жорсткості каната.

Чотиримасова динамічна модель стрілової системи описується системо] чотирьох диференціальних рівнянь другого порядку:

mi-xi =ck-[(x2-x3)-(n-l) + x2-x,]-Fnpl;

m2 -х2 = Fnp2 -ck -n-[(x2 -x3Hn-l) + x2 -XjJ

m3 -x3 = F з +ck -(n-l)-[(x2 -x3)-(n-l) + x2 -Xl]-cc -(x3 -x4);

(1)

= cc-(x3-x4)-

Cp-X

4 Fnp4 »

Складова рівнянь ck-[(x2 - x3)-(n - 1) + x2 - Xj] являє собою вираз зусилля, щ

никає в вантажному канаті і залежить від його жорсткості ск та взаємного перемі-:ння мас mb m2 і т3 під час руху. В другому та третьому рівняннях системи цей раз множиться на кількість гілок поліспастної системи, що підводиться до іповідної маси. Аналогічно вирази сс-(х3 - х4) та ср-х4 являють собою значення утрішніх зусиль, що виникають відповідно при поперечній деформації стріли та вздовжньому розтягу розчала.

Для аналітичного розв’язання системи (1), її було представлено у вигляді іійного диференціального рівняння восьмого порядку руху другої приведеної маси:

І —VI _ rv _

2 + Р-Х2+Ь0 • X2+L] -Х2 =

• FrpKO + K^F^W + K, + .рф2 + К3 -F^, (2)

коефіцієнти Р, є виразами, введеними для спрощення

тематичних викладок при складанні рівняння руху.

Для математичної моделі, якою є рівняння руху (2) здійснено її аналітичне зв’язання.

В четвертому розділі проаналізовано вплив різних причин виникнення намічних навантажень під час роботи механізма підіймання вантажу на їх іичину і характер. Особливу увагу приділено таким явищам, як “форсований ск” та “підйом з підхватом”. В результаті виявлено найбільш несприятливі умови боти механізма підіймання з точки зору величини коливань та викликаних ними намічних навантажень. Цими умовами є підіймання вантажу, вага якого становить изько половини максимальної вантажопідіймальності (“форсований пуск”) та ійом вантажу, що лежить на основі при наявності зазорів в елементах трансмісії та овисань строп і вантажних канатів (“підйом з підхватом”).

На основі проведеного аналізу розроблено заходи, щодо зменшення намічних навантажень. Одним з шляхів зменшення динамічних навантажень в гментах крана є вибір бажаних режимів руху приводних механізмів на ділянках зехідних процесів.

Для визначення бажаного режиму пуску механізма підіймання використано гимальний ривковий режим руху, розроблений Ловейкіним B.C. на основі егрального критерію оптимальності:

\ (П)

h = jFnO.Xk.Xk.-, Xk)dt, (3)

...

[кому за підінтегральну функцію Fn використано вираз “енергії"” ривків (“енергії” искорення другого порядку) руху вантажу:

т2-(х2)2. (4)

“ 2

^ W

t -час; t0 та t[ - початок та кінець перехідного процесу; xk,xk... х k " узагальнені

эрдинати системи і їх похідні по часу включно до n-го порядку.

Отриманий ривковий режим характеризується мінімальними перепаде значення прискорення на протязі пуску, тобто режим, в якому до мінімуму зводят ривки. Математично цей режим описується законом розгону вантажу масою т2 швидкості Ус за час ^ вздовж осі х2:

хг(*) = -Т'І3-14-8*1 -і3 + 6-і2-і2)

(

Закони зміни швидкості та прискорення вантажу, що відповідай оптимальному ривковому режиму пуску, представлені на рис. 4 у вигляді графіки

Рис. 4. Графіки зміни швидкості (а) та прискорення (б) вантажу, і відповідають пуску за оптимальним ривковим режимом

Для реалізації оптимального ривкового режиму пуску в приводі механіз підіймання вантажу розраховано механічну характеристику, яка аналітич описується законами зміни кутової швидкості вала двигуна на протязі пуску 2-і-V

...... ((

Б -і

-(з

И - і

■

-і3 + б-і2

та рушійного моменту

М(і) =

Б

2-і-л

12-(т! + т2)-Ус

к

І +

і-2-Х

де Ус - стала швидкість підіймання; ^ - тривалість пуску; Рб - діаметр барабг лебідки механізма підіймання; п - кратність поліспаста; і - передатне число ред; тора; Ь - загальний ККД механізма підіймання; а також параметри динамічі моделі: тІ9 т2приведені маси відповідно приводу до осі канату, що намотується барабан та вантажу до точки підвісу; Рпр2, — приведене зусилля ваги вантажу; І власна колова частота коливань системи; к2 - власна колова частота колива вантажу; св - жорсткість поліспастної системи. Графічно механічна характеристи: що реалізує оптимальний ривковий режим пуску, представлена на рис. 5.

В п’ятому розділі проведена перевірка ефективності запропонованих захо;

ЁД-ё

Рис. 5. Механічні характеристики асинхронного електроприводу:

------природна; ---------- штучні; ----------оптимальна;

—-------статичний момент на валу, що відповідає заданій вазі вантажу

зменшенню динамічних навантажень шляхом порівняльних розрахунків ханізму підіймання при запуску за реальним режимом пуску, тобто режимом, що злізу є традиційний контролерний запуск електродвигуна, та за оптимальним вковим режимом.

Перевірка за умови підіймання вантажу, що вільно висить на канатах, казала, що при застосуванні оптимального ривкового режиму пуску амплітуда іивань зусилля в вантажному канаті зменшується приблизно в 2 рази (рис. 6, а), пружень в розкосі корінної секції стріли - в 2,1 рази (рис. 6, б).

Рис. 6. Графіки зміни зусилля в вантажному канаті а) та в розкосі корінної кції стріли б), що відповідають режимам пуску:

---------оптимальному ривковому; —----------реальному

Перевірка за умови підіймання вантажу з основи (“підйом з підхватом”), казала, що застосування оптимального ривкового режиму пуску зменшує

амплітуду коливань зусилля в вантажному канаті в 1,6 рази (рис. 7, а) та внутрішні напружень в розкосі корінної секції стріли - в 2,5 рази (рис. 7, б), в порівняні реальним режимом пуску.

Рис. 7. Графіки зміни зусилля в вантажному канаті а) та в розчалі корінне секції стріли б) під час підйому “з підхватом”, що відповідають режимам пуску: ------------ - оптимальному ривковому ------------реальному

Отже, на основі результатів проведених розрахунків, можна зробити виснової про можливість ефективного зменшення величини розмаху коливань внутрішні: напружень в елементах баштового крана шляхом застосування в приводах механізмі! (в першу чергу в механізмі підіймання) оптимального ривкового режиму пуску.

Шостий розділ присвячений розв'язанню проблеми реалізації оптимальногі ривкового режиму пуску електроприводом механізма підіймання вантажу.

Проаналізовано різні способи керування кранових електроприводів, і результаті чого для забезпечення оптимальної механічної характеристики, булі обрано два: 1) зміною опорів, включених в коло ротора двигуна; 2) зміною напруг) струму живлення - для яких визначено закони зміни параметрів керування.

Для першого варіанту параметром керування є величина додаткового опору і колі ротора, закон зміни якого для оптимального ривкового режиму пуск; виражається залежністю:

к(0 =

4-М(0-я-МІ -р-Ш'Г

4-М(0чсГ

•МСО-я-МІ -р-т-и2

Мф-г-іг-Г

»•(я 2 +(Х] + х2)2)

(8)

Графічно цей закон представлено на рис. 8.

Для другого варіанту параметром керування є величина напруги струм} живлення, закон зміни якої для оптимального ривкового режиму пуску має вигляд:

и(0 =

Í2^я^f р-т-Я

(х, + х3

(9)

к

Графічно цей закон представлено на рисунку 9.

Рис. 9. Графік зміни напруги живлення електродвигуна для реалізації оптимального ривкового режиму пуску

8. Графіки зміни додаткового опору колі ротора для отримання опти-іьного ривкового режиму пуску при:

----- - неперервному керуванні;

- — — дискретному керуванні

В закони зміни параметрів керування (8) і (9) входять: оптимальний ривковий ким пуску електродвигуна у вигляді законів зміни рушійного моменту М(Т) (7) та ізання 8(0, яке залежить від закону зміни кутової швидкості вала двигуна \у({) (6) синхронної частоти обертання ротора \у0; р - число пар полюсів; т - масштаб иентів; и, {■- напруга та частота струму живлення; КрОТ - активний опір ротора;

- реактивний опір статора; Х2 - приведений реактивний опір ротора.

Реалізується оптимальний ривковий режим пуску в електроприводі механізма іймання за допомогою електричної системи керування зміною певного параметру гору чи напруги), в якій присутній електронний блок формування сигналу за оном, що відповідає оптимальному ривковому режиму пуску (формула (8) чи (9)).

Методика впровадження оптимального режиму пуску в привод механізма іймання включає розробку електронної системи формування сигналу керування, а :ож збір, обробку, розрахунок величин, що входять до оптимального закону іування та їх введення до цієї системи. Структура електронної системи ¡начається формою закону оптимального керування, параметрами, що його іначають та способами отримання та обробки значень цих параметрів.

До законів оптимального ривкового режиму пуску (6) та (7), а також до законів ни параметру керування ((8) чи (9)) входять параметри, постійні для даного крана змінні, тобто дані, які характеризують умови кожного конкретного підйому і ¡начаються, головним чином вагою вантажу, що підіймається.

Постійні дані визначаються або з технічної документації на кран, або шляхом >ведення тестових випробувань, під час яких знімаються відповідні параметри. :тові випробування проводяться на етапі налагоджування системи під час пуску санізма підіймання на підйом за такими умовами: з вантажем, що вільно висить на іатах, вага якого відповідає максимальній вантажопідіймальності та без вантажу природною механічною характеристикою. Зняті показники заносяться до

постійного запам’ятовуючого пристрою, а також використовуються для обчислені інших показників, що не можуть бути виміряні чи визначені з паспорта краї (приведені маса та сила першої маси, жорсткість каната та ін.).

До змінних параметрів відносяться значення другої приведеної маси ш приведеного зусилля Рпр2, частоти коливань вантажу к2 та системи в цілому к. Для' визначення при кожному підійманні вимірюється вага вантажу, що підіймається, цією метою в електронній системі керування використовуються датчики ваі вантажу, перетворююча апаратура та мікропроцесор для розрахунку змінні; параметрів в залежності від виміряної ваги вантажу.

Для введення, обчислення та зберігання даних при розрахунку оптимальної режиму пуску, розрахунку в реальному часі значень сигналу керування, здійснені зворотного зв’язку для контролю та корекції процесу пуску в електронній систе» керування передбачено такі елементи, пристрої та апаратура:

- мікропроцесор для обчислення змінних параметрів, розрахунків оптималі них режимів пуску, формування сигналу керування, а також його порівняння корекцію за допомогою зворотного зв’язку;

- блоки ПЗП (постійного запам’ятовуючого пристрою) для зберігани постійних характеристик крана;

- датчик ваги вантажу, що піднімається, для визначення маси вантажу і датчик кутової швидкості вала двигуна (тахогенератор) для забезпечення зворотної зв’язку системи керування по кутовій швидкості обертання вала ротора;

- аналогово-цифрові (АЦП) та цифро-аналогові (ЦАП) перетворювачі для ш ретворення аналогових сигналів датчиків в цифровий код та цифрових сигналів парг метру керування в аналоговий сигнал для управління силовою електоапаратурою;

- лінія зв’язку для під’єднанім системи до зовнішньої ЕОМ для введенн постійних параметрів до ПЗП, а також при обробці даних тестових випробувань визначення змінних параметрів.

Принципова схема електронного блоку формування сигналу керуванн наведена на рис. 10.

Запропоновано методику модернізації приводу механізма підіймання, як включає в себе такі етапи:

- створення електронної системи формування параметру керування відповідності до принципової схеми;

- введення в мікропроцесор програми розрахунку законів оптимальног пуску ((6) та (7)) і законів зміни параметру керування ((8) чи (9));

- встановлення електронної системи на електропривод механізма підіймані« під’єднанім до неї датчиків вантажопідіймальності та кутової швидкості вал двиїуна механізма підіймання;

- введення постійних параметрів крана і механізма підіймання до ПЗП;

- визначення шляхом проведення тестових випробувань, розрахунок з допомогою зовнішньої ЕОМ решти постійних параметрів для даного кран (значення першої приведеної маси ть жорсткості вантажного каната св, бажаний ча

Рис. 10. Принципова електронна схема блоку формування оптимального игналу керування

--------обов’язкові елементи —------------додаткові елементи

уску Ід) та введення їх до ПЗП.

Під час роботи система здійснює:

- визначення ваги вантажу, що підіймається;

- розрахунок величини змінних параметрів: другої приведеної маси ш2, /силля, що до неї приводиться Рпр2, власної колової частоти коливань системи к та пасної колової частоти коливань вантажу к2;

- обчислення законів оптимального ривкового режиму пуску за формулами

5) та (7), а також закону зміни параметру керування за формулою (8) чи (9) в ілежності від способу керування електродвигуном та формування сигналу для илової апаратури;

- за допомогою зворотного зв’язку по кутовій швидкості контроль та зрекцію режиму пуску.

Реалізовані таким чином заходи дозволяють забезпечити пуск механізма ¡діймання вантажу за оптимальним ривковим режимом та зменшити динамічні авантаження на елементи баштового крана.

Сьомий розділ присвячений перевірці адекватності використаних при озрахунках динамічних моделей: двомасової - механізма підіймання та отиримасової - стрілової системи. Також в цьому розділі проведено аналіз кономічної ефективності обладнання нових та розроблено рекомендації щодо оцільності модернізації діючих кранів.

Адекватність чотиримасової моделі перевірена шляхом порівняні отриманих розрахункових величин та форм зміни зусиль в вантажному канаті даними тензометричних вимірювань при аналогічних умовах на діючому крані.

Для проведення тензометричних вимірювань було використано пристрі який представляє собою дві пластини з пристроями закріплення канату таким чино щоб забезпечувалось утворення петлі канату, вивільнюючи його з силового шток При цьому зусилля в канаті в повній мірі передається через пристрій.

Пристрій встановлювався на вантажному канаті біля жорсткого закріплені його вільного кінця в кореневій секції стріли.

Оскільки пристрій сприймає повністю зусилля в вантажному канаті в проце експерименту визначалось зусилля, що виникає в цьому пристрої. Для цього на йо; корпус наклеювались тензодатчики на основі константанового дроту опором 5( Ом. Схеми встановлення пристрою та підключення датчиків до реєструюч апаратури показані на рис. 11. Схема вимірювань - мостова. Плечі моста: один да

чик (Лд) — вимірювальний, друг* (II,;) - компенсаційний. Інші ді плеча встроєні в чотириканальні підсилювач ТА-5. Датчики чері підсилювач підключені до вход відповідних каналів осцилографа.

Після тарування відтворюв; лись умови експерименту і резулі тати фіксувались осцилографом І 102. Осцилограма після розші фровки має вид графіка змін зусилля в вантажному кантаті функції часу. Частина осцилограмі що відповідає умовам сталого рух; приведена на рис. 12. Для зручнос-порівняння в цих же осях відклг

0 » Підсилюва“ і ТА-5 р

I

і ■і Осцилограф я Н-102

Рис. 11.Схема встановлення тензометричної апаратури при експериментальному визначенні зусилля в вантажному канаті

дено графік зміни зусилля в вантажному канаті, визначеного теоретичним шляхом В результаті порівнянь графіку зміни зусилля в канаті, отриманого аналітичн

з осцилограми експерименту, спостерігається задовільне співпадання теоретични та експериментальних даних.

Середні значення зусилля в канаті практично співпадають, амплітуді значення коливань зусилля в канаті відрізняються на 15 %. Крім того спостерігаєтьс затухання коливань на протязі руху при експериментальному визначенні зусилля канаті. При теоретичному визначенні цим явищем було знехтувано. Прот зменшення амплітуди внаслідок затухання складає 12 % від початкового значенні що дозволяє нехтувати цим явищем. Порівняння по нижчій частоті колішань показу розбіжність порядку 10 %, що при вимірюванні частоти є задовільним.

Адекватність двомасової моделі перевірена шляхом розрахунку рух

Рис. 12. Графіки зміни зусилля в вантажному канаті, отримані

------- - експериментально, шляхом тензометричних досліджень

------- _ теоретично, за допомогою чотиримасової моделі

<анізма підіймання за допомогою двомасової моделі механізма підіймання та гиримасової моделі стрілової системи при однакових умовах руху для визначення шчини розбіжності при описанні руху механізма підіймання крана цими двома целями. Порівняння проводилось по кількох параметрах: переміщеннях та идкостях приведених мас механізму підіймання та зусиллю в вантажному канаті.

Аналіз показує практично повне співпадання кінематичних параметрів посту-іьного руху мас приведення приводу та вантажу, а також середнього значення :илля в канаті. Амплітуда коливань за двомасовою моделлю складає 5,7 % від стичного значення зусилля, за чотиримасовою - 7,7 %. Різниця амплітуд коливань іадає 2 %, що можна вважати задовільним співпаданням отриманих результатів.

Найбільшу розбіжність отримано по нижчий частоті коливання зусилля в тгажному канаті. При розрахунку за двомасовою моделлю вона складає 5,422 Гц, чотиримасовою - 2,744 Гц. Велика різниця (~ 100 %) викликана впливом на рмування даної частоти мас металоконструкцій та жорсткостей елементів галоконструкцій, врахованих чотиримасовою моделлю. Проте така різниця, як казують порівняння амплітуд коливань, не здійснює значного впливу на величину намічних навантажень.

Отже на основі проведених в розділі розрахунків зроблено висновок, що вдві динамічні моделі достатньо точно описують процеси, що протікають в нанізмі підіймання та стріловій системи баштового крана і їх використання зністю виправдане.

Перевірка економічної ефективності включає в себе оцінку збільшення зговічності металоконструкцій внаслідок реалізації приводом оптимального зкового режиму пуску. Досягнене зниження величини амплітуди коливань дрішніх зусиль в елементах металоконструкцій дозволяє збільшити очікуване :ло циклів навантаження до виникнення першої втомлюваної макротріщини в 2,9 іи, що з урахуванням інших факторів забезпечує збільшення довговічності !глядуваного елемента в 1,6 рази, що для крана КБ-403А становить 5-10 років, зномічна ефективність запропонованих заходів оцінена за допомогою величини

відносної ефективності і становить 9,5 гривень на 1 вкладену гривню, що задовільним показником ефективності. На основі критеріїв єконоімічіі ефективності розроблено рекомендації щодо доцільності модернізації діючих кран Згідно розрахунків проводити модернізацію доцільно на кранах віком до 10 років а при наявності залишкового ресурсу не менше 4300 мотогодин.

ВИСНОВКИ

1. На основі проведених досліджень розроблено спосіб мінімізаі динамічних навантажень в елементах баштових кранів шляхом керування рухс механізма підіймання, який дозволяє подовжити надійну і безпечну їх експлуатації

2. За результатами детального аналізу сучасного стану парку баштові кранів виявлено основні елементи, вихід з ладу яких призводить до досягнені краном граничного стану. Серед цих елементів найбільшу питому вагу складаю металоконструкції ходової рами (37,5 %), розкоси корінної секції стріли (28,1 %' башти (12,5 %).

3. Підтверджено, що основними причинами пошкоджень елементів метал конструкцій кранів є змінний характер динамічних навантажень, які виникають п час роботи кранових механізмів на ділянках перехідних процесів (пуск, гальмува ня).

4. Розроблено систему динамічних та математичних моделей стрілової си теми баштового крана, які описують динамічні процеси в його елементах при робо механізма підіймання. Двомасова модель використана для побудови механічн характеристики привода, що реалізує оптимальний ривковий режим пуск Чотиримасова динамічна модель використана для порівняльних розрахунк оптимального і реального режимів пуску з метою визначення ефективності запропі нованих заходів. Розрахунки, проведені за допомогою двомасової та чотиримасот моделей, с повністю незалежними між собою. Розбіжність отриманих результат становить близько 2 % по величіні амплітуд коливань, що не перевищує величин похибки, прийнятої при інженерних розрахунках і свідчить про правильнісі зроблених припущень при складанні цих моделей та достовірність проведени розрахунків.

5. Виявлено вплив ваги вантажу, що піднімається, на тривалість пуск електропривода механізма підіймання та інерційні сили, які виникають при цьом Встановлено, що скорочення тривалості пуску вдвічі внаслідок зменшення ваг вантажу призводить до збільшення величини прискорення на 50 % та інерційних си. що діють на вантаж в 1,5 рази. Тому при розробці подальших заходів п вдосконаленню режиму пуску механізма підіймання запропоновано штучн збільшувати значення часу пуску до величини, яка відповідає тривалості пуску пр максимальній вантажопідіймальності даного крана. Для крана КБ-403А максимальною вантажопідіймальністю 8 т ця величина складає приблизно 1 с.

6. Визначено вплив підіймання вантажу з основи “з підхватом’ Розрахунками встановлено, що такий режим підіймання призводить до виникнеш!

ивань зусиль в елементах кранів, амплітуда яких може складати до 75 % від гичного значення, через що сумарні значення зусиль збільшуються в 1,5 - 2 рази, і зменшення негативного впливу такого режиму під час піднімання вантажу з юви, запропоновано попередньо вибирати зазори та провисання канатів, а також час пуску застосовувати оптимальні режими пуску.

7. Проаналізовано існуючі критерії оптимізації режимів руху та обрано ий, що забезпечує рух вантажу з мінімумом динамічних навантажень в елементах алоконструкції стріли. Цей критерій має вид інтегрального функціоналу з інтегральною функцією у вигляді “енергії” ривків і мінімум якого відповідає руху тажу з найменшими перепадами прискорення, а отже і найменшими коливаннями антажень.

8. Побудовано механічні характеристики електроприводу, які забезпечують имальний режим пуску механізма підіймання. Механічна характеристика графіч-представлена в класичному виді залежності кутової швидкості обертання ротора ктродвигуна від рушійного моменту \у(М), а аналітично - у вигляді функціональ-: залежності кутової швидкості обертання ротора \у(і) та моменту М® від часу.

9. Перевірено зменшення динамічних навантажень в елементах крана при ювадженні оптимального ривкового режиму пуску в порівняння з реальним с им ом пуску механізма підіймання. Застосування оптимального ривкового симу пуску при підійманні вантажу, що вільно висить на канатах, зменшує ілітудні значення коливань зусиль в вантажному канаті та в розчалі кріплення іли в 2 рази, коливання зусилля в елементах металоконструкції стріли - в 2,1 рази, я підйомі вантажу “з підхватом” оптимальний ривковий режим пуску забезпечує [ження коливань зусилля в вантажному канаті в 1,6 рази, а коливань зусилля в ментах металоконструкції в 2,5 рази.

10. Проведено аналіз систем керування електроприводами, що застосовуються механізмах вантажопідіймальних машин, в результаті чого встановлено, що ібільш пристосованими для реалізації певних режимів пуску є системи з уванням асинхронних електродвигунів зміною опору кола ротора та зміною фуги струму живлення. Для існуючих систем керування запропоновано шляхи іернізації для реалізації ними оптимального режиму пуску.

11. Визначено закони зміни параметру керування з метою забезпечення каної механічної характеристики приводу для обраних систем керування, юрено методику визначення основних характеристик крана, які входять до складу онів оптимального керування, та запропоновано структуру електронного блоку эмування оптимального сигналу керування силовою апаратурою електроприводу санізма підіймання, що забезпечує зміну параметру керування за обраним оном, а також зворотній зв’язок для корекції цього параметру. Ця методика орена з метою подальшої розробки на її основі автоматичних систем керування і почає в себе рекомендації по структурі і складу автоматичної схеми керування.

12. Проведено порівняння результатів експериментального визначення илля в вантажному канаті баштового крана КБ-403А з теоретичними, отриманими

в результаті машинного експерименту, проведеного за допомогою чотиримасово динамічної моделі під час якого відтворювались всі умови натурного експеримент} В результаті порівняння встановлено, що розбіжність по частоті коливань склада 10%, по амплітуді - 15 %, що не перевищує величини допустимої похибки прі інженерних розрахунках. На основі порівняння зроблено висновок, що використан моделі адекватно описують рух стрілової системи баштового крана та вплив на не зовнішніх та внутрішніх факторів і отримані за допомогою них результати < достовірними.

13. Перевірено ефективність запропонованих заходів. Розрахунок показники надійності свідчить, що зменшення амплітуди коливань внутрішніх напружені збільшує довговічність елементів несучих металоконструкцій в 1,6 рази і забезпечу! подовження експлуатації крана на 5 - 10 років. Відносний показник економічно ефективності складає 9,5 гривень на 1 гривню капіталовкладень. Модернізацій діючих кранів доцільно проводити для кранів з залишковим ресурсом не менше 4300 мотогодин.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ

1. Назаренко І.І., Ловейкін B.C., Москвяк Є.В., Демідас С.В. Підвищення надійності вантажопідіймальних машин// Будівництво України. -1998. -№ 1. с. 2931.

2. Ловейкін B.C., Демідас С.В. Аналіз впливу режиму руху механізму підйому баштового крану на динамічні навантаження в його елементах// Автомобільний транспорт. - Сер. Совершенствование машин для земляных и дорожных работ. Сб науч. тр. - Харків, 1999. - Вып.2, - с. 98-105.

3. Ловейкін B.C., Демідас С.В. Аналіз оптимальних режимів руху кранових механізмів// Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харків, 1999, Вып. 48, с. 15-20.

4. Демідас С.В. Аналіз надійності елементів вантажопідіймальних машин// Науково-практичні проблеми цивільної оборони в системі МНС: Збірник наукових праць. - МНС України, КДТУБА. - Вип №1, 1998. - с. 85-86.

5. Ловейкін B.C., Демідас С.В. Математичне моделювання стрілової системи баштового крану// Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій.. - 36 наук, статей. К.: МНС України, КНУБіА, Вип. З, 1999. -с. 106-111.

6. Демідас С.В. Методика реалізації оптимальних режимів руху вантажопідіймальних машин// Науково-практичні проблеми цивільної оборони в системі МНС: тези доповідей 61 наук.-практ. конф.. - Київ, 2000. - с. 21.

7. Ловейкін B.C., Демідас С.В. Застосування оптимального режиму пуску механізму підіймання баштового крана при підйомі з підхватом// Автомобільний транспорт. - Сер. Совершенствование машин для земляных и дорожных работ. Сб науч. тр. - Харків, 2000. - Вып.5, - с. 95-99.

АНОТАЦІЯ

Демідас C.B. Мінімізація динамічних навантажень в елементах баштового ша на основі вибору режиму руху механізма підйому. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі еціальності 05.05.05 - Піднімально-транспортні машини. - Київський ціональний університет будівництва і архітектури, Київ, 2000.

Дисертація присвячена вивченню динаміки баштового крана на прикладі гиримасової динамічної моделі механізма підіймання та зменшенню динамічних вантажень на його елементи, що дозволить подовжити термін надійної та зпечної експлуатації баштових кранів. Розкриті головні причини виникнення кивань вантажу і металоконструкцій кранів та викликаних ними динамічних вантажень на елементи крана. Запропоновано заходи по зменшенню динамічних вантажень, що виникають в кранових елементах. Розроблено методику визначення реалізації оптимального режиму пуску механізма підіймання вантажу, який німізує динамічні навантаження в елементах крана.

Запропоновано принципову електронну схему блоку формування сигналу рування для забезпечення оптимального режиму пуску та створено методику значення його основних параметрів.

Ключові слова: баштовий кран, механізм підіймання, оптимальний режим ску, чотиримасова динамічна модель, система керування.

АННОТАЦИЯ

Демидас С.В. Минимизация динамических нагрузок в элементах башенного ана на основе вибора режима движения механизма подъема. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по ециальности 05.05.05 - Подъемно-транспортные машины. - Киевский циональный университет строительства и архитектуры, Киев, 2000.

Актуальность работы подтверждается стабильной тенденцией изменения рка башенных кранов Украины к увеличению количества машин, сплуатирующихся за границами установленного срока службы. Начиная с 1985 да часть таких машин в общем по Украине изменилась с 31 % до 41 %.

Проведенный анализ статистических данных об отказах элементов башенных іанов, а также исследования предшествующих ученых, позволяют сделать вывод, о основной причиной разрушений крановых элементов есть величина колебаний илий в металлоконструкциях, возникающих под действием дополнительных шамических нагрузок.

Проблема снижения динамических нагрузок решается путем применения в >иводе механизма подъема груза оптимального рывкового режима пуска, эскольку значительные динамические нагрузки возникают во время переходных юцессов движения, рассмотрено внедрение оптимального рывкового режима ленно для периода пуска механизма подъема. С этой целью определена желаемая

механическая характеристика пуска электропривода в виде аналитических зако изменения угловой скорости вращения вала w(t) и крутящего момента f электродвигателя.

Эффективность применения оптимального рывкового режима пу проверена путем сравнительных расчетов четырехмассовой динамической мод движения механизма подъема под действием оптимального и традиционн режимов пуска для двух условий движения: при подъеме груза, свободно висяш на канатах и груза, установленного на основании (“подъем с подхватом”). Расчет; установлено, что применение оптимального рывкового режима пуска сниж амплитуду колебаний в элементах металлоконструкции в 2,1 раза при подъеме гр с веса и в 2,5 раза при подъеме с основания.

Разработаны пути модернизации существующих типовых систем управле) механизмами подъема, которые включают в себя создание электронного бл> формирования оптимального сигнала, а также методики определения иарамет] оптимального рывкового режима.

Ключевые слова: башенный кран, механизм подъема, оптимальный рывков режим пуска, четырехмассовая динамична модель, система управления.

THE SUMMARY

Demidas S. V. Minimization of dynamic loadings in the tower crane elements on basis of choose of a mode of movement of the rising mechanism. - The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engine mg science on a speciality 05.05.05 - Rising - transport machines. - Kiev national univ sity of construction and architecture, Kiev, 2000.

Hie dissertation is devoted to studying of the tower crane dynamics on an exam of four-mass dynamic models of the rising mechanism and reduction of dynamic loadir on its elements, that will allow to prolong term of reliable and safe exploitation of tov cranes. The basic reasons of occurrence of a cargo and metalconstraction fluctuations a caused, by them dynamic loadings, on crane’s elements are found out. The pathway minimization of dynamic loadings reduction, appearing in crane’s elements are offeri The method for calculating and providing of an optimal start-up mode of rising mechani: is created. This mode minimizes dynamic loadings in elements of the crane.

The basic electronic circuit of the block, generating the management signal 1 determination of optimal start-up mode is created; and the method for determination of i basic parameters is offered.

Keywords: tower crane, rising mechanism, optimal start-up mode, four-m£ dynamic model, management system.