автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Моделирование процессов взаимодействия и обоснование рациональных параметров элементов системы "кран-путь"

РТ& 011 РГБ од

г \ ^г \ дек «за

На правах рукописи Шевнин Владимир Михайлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ "КРАН - ПУТЬ"

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург-1998

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической а; демии и Уральском округе Госгортехнадзора РФ

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Р.Н. Ковалев

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор Г.Г. Кожушко

кандидат технических наук, доцент С.А.Ляпцев

Ведущая организация -

ЗАО «Цветметналадка»

Защита диссертации состоится 1998 г. в 10.00 часов н;

заседании диссертационного совета Д.063.ГО .01 в Уральской государственно» горно-геологической академии по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбыше ва, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии.

Автореферат разослан « » Н 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Прокофьев Е.В.

Актуальность работы. Кран и крановый путь как элементы единой системы взаимодействуют друг с другом в процессе эксплуатации и взаимно влияют друг на друга. Безопасность, бесперебойность и рентабельность эксплуатации кранов существенно зависит от состояния крановых путей. Особенно чувствителен к состоянию пути кран, чей технический ресурс исчерпан или близок к этому: небольшое отклонение параметров пути от норматива может явиться той последней каплей, которая ведет к аварии, материальным и человеческим потерям.

На предприятиях горнодобывающего комплекса, подведомственных Уральскому округу Госгортехнадзора РФ, в настоящее время эксплуатируется более 3000 кранов, установленных на промышленных площадках и складах шахт, рудников, карьеров и обогатительных фабрик.

В настоящее время значительная доля кранов (порядка 60-70%), эксплуатирующихся на предприятиях Уральского округа Госгортехнадзора, исчерпало свой технический ресурс. Этот парк кранов, в свою очередь, эксплуатируется на более чем 1000 км крановых путей различных конструкций, чье техническое состояние в большинстве случаев не удовлетворяет нормативным требованиям. Натурные обследования 22 крановых путей на предприятиях только горнодобывающего комплекса Свердловской области показали, что ни один обследованный путь не удовлетворяет нормативным требованиям, причем отклонения параметров превышают допускаемые значения в 2-3 раза. Большая протяженность крановых путей предприятий, их интенсивная эксплуатация в прошлом превращает задачу их содержания в технически исправном состоянии в сложную капитало- и материа-лоемкую проблему.

Материалы диссертации являются составной частью исследований, проводимых по программе Госгортехнадзора РФ по разработке руководящей документации "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин" (№. ГР 01.830029692, 01.86.0014638).

Идея работы. Анализ сил взаимодействия в системе "кран - рельсовы путь" путем проведения обследований крановых путей с последующим модел! рованием системы на ЭВМ с учетом статистически превалирующих реальных п; раметров путей.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка нг учной методики прогнозирования и расчета величин сил взаимодействия осно! ных элементов механической системы, включающей в себя кран и крановый пут ("Кран-путь"). Для достижения поставленной цели необходимо решить следук щие задачи:

1. Изучить и дать анализ существующих методов исследования взаимодей ствия кранов и крановых путей ;

2. Разработать математическую модель системы ''Кран-путь";

3. Разработать методику экспериментальных исследований взаимодействи элементов системы "Кран-путь";

4. Выполнить натурные обследования элементов системы в условиях е эксплуатации на предприятиях;

5. Выполнить компьютерный эксперимент с целью расчета величины опор ной реакции в процессе эксплуатации крана на реальном и идеальном путях и вы явления основных закономерностей изменения ее величины в зависимости о' параметров системы.

Методы исследования. Решение поставленных задач получено на основ, математического моделирования и вычислительного эксперимента и используе-'методы динамического анализа жестких и упруго-пластических объектов, а такж< статистической механики.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна работы К наиболее существенным новым научным положениям, выносимым на защиту относятся: общая методика прогнозирования и расчета величины реакции в основных элементах системы "Кран-путь", включающая в себя математическую *

компьютерную модель системы; методика экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы "Кран-путь", методика и результаты вычислительного эксперимента по исследованию влияния изменения основных параметров системы на величину опорной реакции.

Достоверность научных положений диссертации подтверждается результатами экспериментальных исследований, полученных на основе статистических методов обработки данных, результатами вычислительного эксперимента на ЭВМ, планированием экспериментов, оценкой их результатов по основным статистическим критериям. Погрешность результатов эксперимента не превышала 8,0 - 8,5%.

Практическая ценность работы. Разработанная теоретическая модель системы "Кран-путь", реализованная на ЭВМ,позволяет:

1) прогнозировать и рассчитывать, в зависимости от параметров состояния пути и конструктивных особенностей крана, усилия и напряжения в основных элементах системы "Кран-путь", что необходимо для уточнения методик расчета крана на стадии проектирования;

2) обосновывать нормативные параметры содержания крановых путей и кранов, величины допустимых отклонений от них без проведения сложных, трудоемких и дорогостоящих экспериментов;

3) разработать систему рационального управления элементами системы в процессе эксплуатации в зависимости от конкретных производственных и природно-климатических условий предприятия.

В целом общая методика прогнозирования и расчета величины реакции в основных элементах системы является основой для выполнения амплитудно-частотного анализа реакции опор с целью оценки безопасности эксплуатации кранов предприятий техническими рисками.

Реализация результатов исследований. Основные результаты работы включены в состав нормативно-технической документации Госгортехнадзора РФ, на-

ходящейся в настоящее время на стадии утверждения, в частности "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин". РД 10-138-97, часть 1. Общие положения (вторая редакция), часть 2. Методика обследования.

Апробация работы . Основные результаты диссертационной работы заслушаны и одобрены коллегией Комитета Госгортехнадзора РФ , на заседаниях кафедры ПТМ УГТУ-УПИ, кафедры сопротивления материалов и теоретической механики УГЛТА, кафедры горной механики УПТА, научно-практических конференциях по безопасности подъемных сооружений (г. Сочи, 1997г.) и VI Уральской научно-практической конференции по метрологии (г. Екатеринбург, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи и 2 тезисов доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы (59 наименований) и 3 приложений, изложенных на 100 страницах основного текста, в том числе 22 рисунков, 8 таблиц, 36 страниц приложения.

Содержание работы

Во введении изложена актуальность темы исследования, приведена краткая аннотация проделанной работы и сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изучено состояние вопроса по теме диссертации, определены цель и задачи исследований. Проблема исследования закономерностей взаимодействия кранов с крановыми путями теоретически связана с более общей проблемой взаимодействия пути и подвижного состава на объектах железнодорожного и промышленного транспорта. Большой вклад в развитие теории взаимодействия пути и подвижного состава внесли советские и российские ученые й.И.АбрамЬвич, М.Ф.Вериго, С.В.Вершинский, А.М.Годыцкий-Цвирко,

В.Н.Данилов, А.Я.Коган, В.А.Лазарян, Н.П.Петров, И.И.Челноков, В.Ф.Яковлев и др. Ими были выявлены и сформулированы общие закономерности взаимодействия пути и подвижного состава на объектах железнодорожного транспорта. Эти общие закономерности были уточнены в исследованиях закономерностей взаимодействия кранов и крановых путей, выполненных А.С.Коноплей, И.И.Гниломедовым, М.А.Фришманом, И.С.Леваковым, Б.Ф.Хазовым, Г.М.Банных, А.А.Коротким, Б.А.Евдокимовым, В.И.Богдановым, А.С.Липатовым, В.В.Глазовым, Н.Д.Тагильцевым, А.В.Голенищевым и др. В целом анализ проблемы показал, что исследование взаимодействия кранов и крановых путей может быть выполнено в различных аспектах:

• определение нагрузок на остов крана;

• изучение траектории упругой линии, описывающей реальный крановый путь; в изучение траектории движения крана по реальному пути;

» изучение силового взаимодействия крановых ходовых колес с теоретическими и реальными крановыми путями и др.

Во второй главе приведено теоретическое исследование взаимодействия элементов системы "Кран-путь". Основная цель теоретических исследований системы "Кран-путь" в данной работе заключается в разработке теории, позволяющей определить наиболее рациональные значения параметров этой системы (например, геометрических размеров, величины масс, жесткостей, предельно допустимых отклонений параметров крановых путей от нормативных и др.), при которых сводятся к минимуму вредные колебания в ее конструктивных элементах.

Наиболее сложными в эксплуатации являются краны стрелового типа, краны мостового типа значительно устойчивее и надежнее, они менее чувствительны к состоянию кранового пути, что подтверждено данными статистики. Поэтому в работе была поставлена задача разработки более сложной модели крана стрелового типа, которая и используется в дальнейшем.

Крановый путь как часть механической системы "Кран-путь" описывается совокупностью характеристик, которые можно разделить на две группы:

- характеристики, определяющие реакцию пути на динамическое воздействие колеса крана;

- характеристики, определяемые остаточными деформациями, накопившимися в пути под воздействием нагрузок от колес крана.

На стоянке стреловой кран выводится из состояния покоя вращением стрелы с грузом. При этом получают перемещения (деформации) элементы системы флюгер, лафет, рельсы и подрельсовое упругое основание. При движении крана по пути с реальными неровностями контакт колес с рельсом обеспечивается за счет упругих свойств пути и элементов опорной рамы. Если сумма деформации элементов системы меньше величины неровности на рельсовом пути, то, следовательно, кран будет перемещаться на трех ходовых тележках, а при расположении центров тяжести отдельных масс гп^ по диагонали, проходящей через две загруженные ходовые тележки, кран будет опираться на две точки.

Задача определения опорных реакций крана, находящегося на стоянке, решалась как статически неопределимая по методу сил. При этом предполагалось, что базовая площадка крана опирается на путь в трех точках (А, В и D, рис. 1). Реакции опор в точках А, В и D базовой площадки определяются по формулам:

Ra = Mn (sinq> - coscp) / b - M^sincp + cosq>) / b,

RB = P/2 +( Мч cosip + M^ sincp ) / b, (1)

Rd= P/2 + (Mj: coscp - M^sincp)/ b,

где P, Mn, Мг, - главный вектор и составляющие главного момента сил, приложенных к стреловому крану, относительно центра базовой площадки;

Рис. 1. Расчетная схема опираний крана

М,, - момент относительно оси, перпендикулярной к стреле крана;

- момент относительно оси крана, <р - угол между стрелой крана и осью рельса. Формулы справедливы только при ЯА> 0, т.е. при

tg(? > (И, + МО / (М,, - МО- (2)

Осадка опор крана за счет упругих деформаций основания крана и пути определяется по формулам:

ДА=КАаА; Дв =КВ Яв; До = КвК0, (3)

где КА, Кв, Кс и К0 - податливости в соответствующих опорах (Податливость опор определяется как сумма податливостей основания крана и пути). Точка С базовой площадки получает перемещение

Дс = Дв +До - ДА = КВКВ + К0К0 - КАИА.

(4)

Перемещение точки С с учетом постоянной податливости КА = Кв = Ко = К определяется по формуле:

Зазор между головкой рельса и колесом крана на опоре С после упругой деформации будет равен:

где h - превышение базовой площадки в точке С над головкой рельса до деформации.

Если hi>0, то кран будет продолжать опираться на три точки. Если h\<0, то кран будет опираться Fía четыре точки.

На рис. 2 представлена зависимость превышения tu от угла поворота стрелы крана К-405 2А при различной податливости опор для случая, когда М; =967 кНм. Из графика видно, что наибольший зазор hi между колесом и головкой рельса, при котором кран будет опираться в 3 точках, возникает на границах области допустимых значений <р, т.е. когда реакция RA принимает нулевое значение. В этом случае выражение для зазора hi примет следующий вид:

Дс=К [ Р +2 Mn(cos(|) - sin<p)/b +2 M^(cos(p +sinq>)/b] .

(5)

hi= h - Дс ,

(6)

h, > К P .

(?)

Наибольшее значение Р для крана КБ -405 2А будет 1192 кН. В этом случае наибольшее значение Ь, будет 1192 К. В нормах допустимый уклон пути принят 0.01, что для базы крана в 6 м дает зазор между головкой рельса и колесом 6 см.

А

V

Податливость опор К:

—- К = 0,05 мм/кН

_____К =0,04 мм/кИ

_____К =0,03 мм/кН

......'..... К - 0,02 мм/ кН

ЬЛ

15; 30 45 60 75 90 105 120 V ,/ Il95 210 225 240 255 270 285 300 315 330

\v_JTy;

Угол поворота стрелы ф, град

Рнс. 2. Зависимость зазора между колесом и головкой рельса от угла поворота стрелы при различной податливости опор

Для пути на деревянных полушпалах к песчаном балласте податливость К = 0,0067 + 0.04298 = 0.05 мм/кН. Зазор 1ц > 0.05* 1192 = 59.6 мм я 6 см равен допустимому, подсчитанному по нормам. При других углах поворота стрелы <р , подат-ливостях К и внешних нагрузках зазор К., быстро убывает. Следовательно, большую часть времени кран работает с зазором меньше регламентируемого 6 см, т.е. опирается на три ходовых тележки. Для того, чтобы кран опирался в четырех точках, необходимо либо повышать податливость пути, либо вводить более жесткие ограничения на допустимый уклон пути.

При опирании крана на три или две точки его база будет занимать негоризонтальное положение, которое можно описать двумя уклонами в направлениях осей X и У (¡„р и ¡п<ш). Задачей исследований в этом случае является определение опорных реакций крана с учетом реальных уклонов путей.

При решении этой задачи рассмотрена базовая площадка крана в негоризонтальном положении с превышениям точках А, В, С и Р. Внешняя нагрузка, передающаяся на базовую площадку, сведена к следующей системе сил:

М - расчетный момент в вертикальной плоскости, который можно разложить на моменты в плоскостях вдоль (Му) и поперек (Мх) крановых путей; Р - расчетная вертикальная сила, действующая по оси вращения крана.

Опорные реакции при опирании крана в трех точках (например, А, В, С) определяются по формулам:

11в= ± Мх/Ъ ± Му/э; г

ЯА=Р/2 ± Му/б; (8)

Б^с = Р/2±Мх/Ь,

где Ь, в - соответствующие размеры базовой площадки. Моменты Мх и Му зависят не только от уклонов и 1поп, но и от угла поворота (р стрелы крана относительно оси X.

Изменяя угол <р, можно определить наибольшие значения опорных реакций при фиксированных уклонах. Очевидно, что экстремальные значения опорных реакций в точках, лежащих на одной диагонали (например, точки А и С), возникнут, когда плоскость действия расчетного момента будет проходить через эти точки. При этом угол ф будет близок к - 45° или 135° . Реакция опоры в третьей точке (т. В) будет стремиться к нулю. В момент, когда Яв=0, произойдет отрыв базовой площадки в этой точке и кран будет находиться в неустойчивом состоянии, опираясь некоторое время в двух точках (А и С). При дальнейшем повороте стрелы базовая площадка будет поворачиваться относительно диагонали А - С на угол 0 до тех пор, пока не коснется опоры в точке О. Переход крана от одного устойчивого положения к другому может происходить с ускорением масс крана.

Экстремальные значения опорных реакций в точках, лежащих на одной диагон&чи, определяются по формулам:

Ят^Р/2 + М/2а2

Ктш=Р/2 - М/2а2 , (9)

где а2 - расстояние между точкой приложения силы Р и опорой.

Существующие нормы ра§чета строительных башенных кранов (ГОСТ 13994 - 81) определяют реакции опор свободно стоящего крана с четырьмя опорами, не воспринимающими отрывающие вертикальные силы по формулам:

К=Р/2 или М/а2. (10)

Нормы не учитывают возможность опирания крана в двух точках. Расчеты показывают, что при учете одного продольного уклона пути реакции опор, опре-

деленные по формулам (9),превышают реакции опор, посчитанные по нормативным документам, на 35%.

Реакцию опоры в третьей точке необходимо рассчитывать с учетом динамического действия нагрузки. В целом изменение реакций опор крана приводит к изменениям деформаций пути, что является причиной отклонения башни крана от вертикального положения. В результате изменяются моменты Мх и Му, а следовательно,и реакции опор. Зависимости между реакциями опор крана и внешней нагрузкой на базовую площадку носят нелинейный характер, что также не учитывается действующей методикой расчета конструкции крана.

Динамическая модель системы "Кран - путь" состоит из двух элементов: недеформируемый стреловой кран и идеально упругий крановый путь. Связь между элементами происходит в четырех точках, деформации пути предполагается только в точках опирания крана. Внешняя нагрузка определяется только от массы груза, стрелы, башни и контргруза. Кран стоит на трех точках и имеет возможность качаться вокруг оси X (угол у, рис. 3). Угол 9 - угол наклона поворотной платформы к горизонту считаем малым (связан с неровностями пути). В работе получено уравнение качаний и определены возникающие при этом ускорения, с которыми связаны динамические нагрузки на крановый путь. Уравнение Лагранжа второго рода, описывающее колебания крана, приведено к виду:

1у-цу = М, (11)

где I - приведенный к оси качания у момент инерции крана; ц, М - коэффициенты линейного разложения обобщенной силы в ряд Маклорена:

ц = Б соз9[(т1 +т2 +Шз/2) Ь3 +(т1 +Ш2/2) /2 соввг+пцк»],

(12)

М = % со50[(т1 +т2 +П1з)с1з + 12(ш1 +Ш2/2) созЭ2-т4 <54] зт(<р-г7г/4),

ть т2 ,тз массы подвижных частей крана (рис. 3); <1к Ьк / к - плечи соответствующих сил.

Решение уравнения (12) можно записать в аналитическом виде через гиперболический синус:

Рис. 3. Расчетная модель крана

А8Ь(г/5Ж+Р)-1М/Ц , (13)

где БЬ(а) = (еа - е"а)/2, А = ^(ц/201/ц) - Го,

Фо. Ч'о ■ начальные угловая скорость и угол,

Ч 3 =

Максим&чьная нагрузка на рельс определяется в виде:

<Зр = цу + М/а2, (14)

где а2 - расстояние от центра платформы до одной из опор. •

Динамический вклад в усилие в этом случае определяется следующим соотношением:

Один=Ор-ОрС1, ' (15)

где С>рсг - расчетное статическое усилие.

Формула (15) позволяет получить приближенное значение относительного

вклада динамических нагрузок в величину опорной реакции

у= (Зр^/Ор" = 1^/М -у-100%. (16)

Динамические нагрузки, возникающие при разгоне, торможении, а также от удара при переваливании крана через диагональ базовой площадки, в данной мо-• дели не учитываются. Математическая модель системы "Кран-путь", реализован- „ ная на ЭВМ, позволяет проследить изменения реакций опор крана при его дви: жении по пути с постоянной скоростью V» при повороте стрелы на произвольный угол ф с достаточной для практических целей точностью.

Движение крана по реальному рельсовому пути с учетом его неровностей исследовано на ЭВМ. Компьютерная модель исследуемой системы включает математическое описание микропрофиля кранового пути. Каждая ветвь пути представлена в виде двух векторов X и Z. Вектор X определяет координаты х точек ветви, в которых произведен замер высотной отметки рельса. Высотные отметки представлены вектором Ъ. Для математического описания ветви рельса использу-

ется сплайн-функция. Математическая модель кубической сплайн-функции представляет собой набор специальным образом построенных многочленов третьей степени. Это соответствует модели гибкого стержня из упругого материала, что является достаточно хорошим приближением для рельса. Для каждого момента времени программа позволяет определить реакции в опорах крана при повороте стрелы на 360°.

В третьей главе разработана оригинальная методика экспериментальных исследований процессов взаимодействия крана и' пути, включающая описание применяемых приборов и методику обработки экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования процессов взаимодействия элементов системы "Кран - путь" проводились на коротких участках (1.5-2 звена) крановых путей, принимаемых за эталонные по конструкции и состоянию. Испытания проводились для выявления различий в ходе динамических процессов и для изучения влияния и эффективности тех или иных конструкций путей. В соответствии с этими целями предусматривалось проведение испытаний на путях конструкций:

- с деревянными полушпалами, рельсом Р50,Р65 и балластной призмой из песка и щебня;

- с железобетонными подрельсовыми опорными элементами различных конструкций.

Чтобы получить на этих участках экстремальные значения нагрузок (давлений на опоры) при выполнении различных операций с максимальным грузом на стреле, на них устанавливались максимально допустимые по нормам значения уклонов.

На опытных участках пути перед каждым экспериментом проводились их обследования, обмеры и некоторые испытания. При этом механическими и геодезическими средствами измерений определялись плановое и высотное положение рельсов. На коротких горизонтальных участках путей различных конструкций

225 250 -Рельс А-Репье Б

200 225 250

— Опора 1 -о-Опара 2 —»— Опора 3 —Опора 4

Рис. 4. Изменение опорных реакций крана при движении по реальному пути (Угол поворота стрелы 45°, К = 0.01 мм/кН, угол наклона стрелы 30°). "

определялись горизонтальная и вертикальная жесткость пути С°г и С°у и соответствующие им модули упругости и°ги и°у.

Измерения проводились геодезическими приборами типа нивелира Н-0.5 (ГОСТ 10528-76)и рейки РН-0.5(ГОСТ 11158-76)или механическими индикаторами часового типа(ГОСТ 577-68}

Как показывают опыты, проведенные на испытательной площадке ВНИИ-- • стройдормаша, податливость путей на деревянных шпалах составила Д = 0.063 мм/кН и для путей на бетонных балках Д = 0.016 мм/кН .

Результаты исследований показывают, что при любой жесткости пути происходит отрыв опоры башенного крана, расположенной по диагонали от опоры, через которую проходит направление стрелы с грузом. Поэтому дополнительную нагрузку, возникающую при подъеме груза,следует определять по формуле:

Д<Л=дг(Ь+г)/г, (17)

где <3,. - вес поднимаемого груза;

г - полудиагональ прямоугольника, сторонами которого являются база и колея крана;

Ь - расстояние по горизонтали от центра шкворня контролируемой опоры <рана до центра подвеса груза.

В четвертой главе приведены методика и результаты вычислительного 1ксперимента. В результате проведения данного эксперимента были выполнены: ) исследование изменения величины опорных реакций при движении крана по еальному пути при варьировании податливости пути и углов поворота и наклона трелы крана;

2) исследование зависимостей величины максимальных значений опорных еакций от расхождения продольных уклонов ветвей кранового пути при различен его податливости;

3Обоснование максимально допустимых пределов отклонения параметров пути от нормативных.

Установлено, что модель системы "Кран-путь", реализованная на ЭВМ, является эффективным инструментом диагностики системы в реальных условиях ее эксплуатации. На рис. 4 в графической форме представлен один из результатов этого исследования. На приведенных графиках в указанных условиях эксплуатации стрелового крана четко прослеживаются участки движения на трех и на двух опорах. Причины этого явления заключаются, как видно из приведенных графиков, во взаимном влиянии неровностей двух рельсов, по которым происходит движение крана.

Статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента дает основания для выбора наиболее рациональных режимов работы крана в конкретных условиях его эксплуатации, выделения наиболее опасных участков кранового пути, подлежащих первоочередному ремонту, обоснования основных нормативных параметров содержания путей. Анализ результатов вычислительного эксперимента показал:

1) необходимость дифференцирования допусков на содержание этих путей в зависимости от их податливости;

2) учета угла расхождения уклонов ветвей пути;

3) позволил обосновать критерий оценки работоспособного состояния кранового пути, в качестве которого можно рассматривать требование опи-рания крана на все опорные поверхности в процессе его эксплуатации.

В приложении приведены методика экспериментальных исследований, результаты обследования крановых путей в производственных условиях, текст программы расчета реакций в опорах крана.

Заключение

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. В реальных условиях эксплуатации кранов при движении в элементах механической системы "Кран-путь" возникают динамические явления, вызывающие вредные колебания в ее конструктивных элементах. Уменьшение колебаний в элементах исследуемой системы может быть достигнуто совершенствованием конструкций пути и крана на этапе их проектирования путем выбора наиболее рациональных значений параметров этой системы (геометрических размеров, величины масс, жесткостей, предельно допустимых отклонений параметров крановых путей от нормативных и др.).

2. Одной из основных причин колебаний крана являются неровности пути как следствие непостоянной по длине жесткости верхнего строения пути и неравномерного накопления остаточных деформаций в грунтовом основании по его длине. Эти явления значительно актуализируются в условиях специфики эксплуатации наземных путей и исчерпания технического ресурса кранов.

3. Расчеты на основе теоретической модели крана показали, что при его работе на реальном пути кран опирается в основном на 3, а в определенные моменты на 2 точки. При этом фактические значения реакции опор превышают теоретические, определенные по нормам, на 35% . Изменение реакций опор приводит к изменениям деформаций пути под нагрузкой , что является причиной отклонения башни крана от вертикального положения и изменения реакций опор. Отсюда зависимости между реакциями опор крана и внешней нагрузкой на базовую площадку носят нелинейный характер, что не учитывается в настоящее время при разработке конструкции крана.

4. Разработанная математическая модель крана позволяет вести расчеты для условий его работы на неидеальном пути на 3-х точках опирания и возможности качаться вокруг горизонтальной оси из-за неровности пути.

5. На основе полученной математической модели разработана компьютерная программа, позволяющая моделировать движение крана по реальному пути с расчетом максимальных значений опорных реакций под каждой опорой в зависимости от параметров микропрофиля пути и различных комбинаций положения элементов крана.

6. Разработана оригинальная методика экспериментальных исследований процессов взаимодействия крана и пути, включающая описание применяемых приборов и методику обработки экспериментальных данных.

Результаты исследований показывают, что при любой жесткости пути происходит отрыв опоры башенного крана, расположенной по диагонали от опоры, через которую проходит направление стрелы с грузом. Поэтому при проектировании башенных кранов следует учитывать дополнительную нагрузку, возникающую при подъеме груза.

7. Экспериментально подтверждена необходимость дифференцирования нормативов содержания путей от их жесткости (податливости) - для жестких путей эти нормы должны быть значительно ужесточены.

8. Статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента дает основания для выбора наиболее рациональных режимов работы крана в конкретных условиях его эксплуатации, выделения наиболее опасных участков кранового пути, подлежащих первоочередному ремонту, обоснования основных нормативных параметров содержания путей.

9. Предложен критерий оценки работоспособного состояния кранового пути, в качестве которого можно рассматривать требование опирания крана на все опорные поверхности в процессе его эксплуатации.

10. Результаты работы внедрены в практику эксплуатации кранов и крановых путей и включены в состав нормативно-технической документации Госгор-технадзора РФ "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Новенко A.B., Стоцкая Л.В., Кузнецова H.A., Шевнин В.М. Анализ руководящих документов по устройству, эксплуатации и комплексному обследованию крановых путей грузоподъемных машин^Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Сб. научн. тр.- Екатеринбург: УГТУ, 1997.-с.78-79.

2. Голенищев A.B., Шевнин В.М. Повышение надежности козловых кранов.//Лесная промышленность,-1998.- № 1.-С.20-21.

3. Городилов С.Н., Калентьев В.А., Тагильцев Н.Д., Чащин Н.И., Шевнин В.М. Влияние планово-высотного положения крановых путей на напряженное состояние элементов башенных кранов. - Екатеринбург: УГЛТА, 1998.- 25с.

4. Стоцкая Л.В., Кузнецов. A.A., Шевнин В.М. К вопросу обследования тупиковых упоров грузоподъемных кранов.Сборник статей и сообщений научно-практической конференции по безопасности подъемных сооружений.-Новочеркасск, 1998.- с. 118-119.

5. Анкудинов Д.Т., Городилов С.Н., Калентьев В.А., Тагильцев Н.Д., Чащин Н.И , Шевнин В.М. Метрологические аспекты обследования крановых путей в системе ГСЩ Сборник статей VI Уральской научно- практической конференции по метрологии. - Екатеринбург, 19?8. - с. 62-63.

/

/' /

Подписано в печаг*'/17.П.98г/ Формат бумаги 60x84 1/16 Печ.л. 1,0 ^ Тирах 70 экз. Заказ 182

620144, г.Екатеринбург, ул.Куйбышева, 30

Издательский центр Уральской государственной горно-геологической академии

^ *7

и а

к I

П ¿4

Уральская государственная горно-геологическая академия

ШЕВНИН Владимир Михайлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ "КРАН - ПУТЬ"

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Р.Н.Ковалев

Екатеринбург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................ 8

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ "КРАН - ПУТЬ".......................................... 13

2.1. Основные допущения............................................................................. 13

2.2. Результаты натурных исследований кранов и путей........................... 16

2.3. Анализ нагруженности опорных элементов

неподвижно стоящего стрелового крана.............................................. 17

2.4. Исследования движения крана по рельсовому пути........................... 25

25. Моделирование на ЭВМ движения крана по реальному

рельсовому пути.................................................................................. 43

3. ЭКСПЕРИМЕНГАЛЬЮЕ ИССЛЦДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

'КРАН - ПУТЬ".........................................................................................50

3.1. Цель и задачи экспериментальных иссщцований........................50

3.2. Объекты испытаний, метод ы определения их состояния и параметров................................................................................................51

3.21. Опьпнью участки крановых путей......................................................51

4.2.2. Опытный вран........................................................................................59

3.3. Статические и динамические характеристики крана

и пути........................................................................................................60

3.3.1. Измерения на кране...............................................................................60

3.3.2 Измерения на крановом пути................................................................64

3.4. Методика экспфиментальных исследований и

основные эцементы организации их проведения..................................66

3.5. Основные элементы методики обработки и анализа

экспериментальных данных...................................................................68

4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА..................................................................69

4.1. Задачи и методика выполнения вычислительных

экспериментов....................................................................69

4.2. Результаты вычислительного эксперимента...............................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................94

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................. 96

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ П1. Методика экспериментальных и<хлздований.......102

Пршюжение П1.1. Выбор и обоснование постоянных и переменных

факторов............................................................................... 102

Приложение П1.2. План проведения эксперимента

.........................................,.................................................. 102

Приложение П1.3 ГЪрядок проведения эксперимента

и его условия..........................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ П2 Результаты нивелировки кранового пути...........112

ПРИЛОЖЕНИЕ П 3. Текст программы компьютерного

эксперимента................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Кран и крановый путь, как элементы единой системы взаимодействуют друг с другом в процессе эксплуатации и взаимно влияют друг на друга. Безопасность, бесперебойность и рентабельность эксплуатации кранов существенно зависит от состояния крановых путей. Особенно чувствителен к состоянию пути кран, чей технический ресурс исчерпан или близок к этому: небольшое отклонение параметров пути от норматива может явиться той последней каплей, которая ведет к аварии, материальным и человеческим потерям.

На предприятиях горнодобывающего комплекса, подведомственных Уральскому округу Госгортехнадзора РФ, в настоящее время эксплуатируется более 3000 кранов, установленных на промышленных площадках и складах шахт, рудников, карьеров и обогатительных фабрик.

В настоящее время значительная доля кранов (порядка 60-70%), эксплуатирующихся на предприятиях Уральского округа Госгортехнадзора, исчерпало свой технический ресурс. Этот парк кранов, в свою очередь, эксплуатируется на более чем 1000 км крановых путей различных конструкций, чье техническое состояние в большинстве случаев не удовлетворяет нормативным требованиям. Натурные обследования 22 крановых путей на предприятиях только горнодобывающего комплекса Свердловской области показали, что ни один обследованный путь не удовлетворяет нормативным требованиям, причем отклонения параметров превышают допускаемые значения в 2-3 раза. Большая протяженность крановых путей предприятий, их интенсивная эксплуатация в прошлом, превращает задачу их содержания в технически исправном состоянии в сложную капитало- и материалоемкую проблему.

Материалы диссертации являются составной частью исследований, проводимых по программе Госгортехнадзора РФ по разработке

руководящей документации "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин" (№№ ГР 01.830029692, 01.86.0014638).

Идея работы. Анализ сил взаимодействия в системе "кран - рельсовый путь" путем проведения обследований крановых путей с последующим моделированием системы на ЭВМ с учетом статистически превалирующих реальных параметров путей.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка научной методики прогнозирования и расчета величин сил взаимодействия основных элементов механической системы, включающей в себя кран и крановый путь ("Кран-путь"). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить и дать анализ существующих методов исследования взаимодействия кранов и крановых путей ;

2. Разработать математическую модель системы "Кран-путь";

3. Разработать методику экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы "Кран-путь";

4. Выполнить натурные обследования элементов системы в условиях ее эксплуатации на предприятиях;

5. Выполнить компьютерный эксперимент с целью расчета величины опорной реакции в процессе эксплуатации крана на реальном и идеальном путях и выявления основных закономерностей изменения ее величины в зависимости от параметров системы.

Методы исследования. Решение поставленных задач получено на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента и использует методы динамического анализа жестких и упруго-пластических объектов, а также статистической механики.

Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна работы. К наиболее существенным новым научным положениям, выносимым на защиту, относятся: общая методика прогнозирования и расчета величины реакции в основных элементах системы "Кран-путь", включающая в себя

математическую и компьютерную модель системы; методика экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы "Кран-путь", методика и результаты вычислительного эксперимента по исследованию влияния изменения основных параметров системы на величину опорной реакции.

Достоверность научных положений диссертации подтверждается результатами экспериментальных исследований, полученных на основе статистических методов обработки данных, результатами вычислительного эксперимента на ЭВМ, планированием экспериментов, оценкой их результатов по основным статистическим критериям. Погрешность результатов эксперимента не превышала 8,0 - 8,5%.

Практическая ценность работы. Разработанная теоретическая модель системы "Кран-путь", реализованная на ЭВМ позволяет:

1) прогнозировать и рассчитывать, в зависимости от параметров состояния пути и конструктивных особенностей крана, усилия и напряжения в основных элементах системы "Кран-путь", что необходимо для уточнения методик расчета крана на стадии проектирования;

2) обосновывать нормативные параметры содержания крановых путей и кранов, величины допустимых отклонений от них без проведения сложных, трудоемких и дорогостоящих экспериментов;

3) разработать систему рационального управления элементами системы в процессе эксплуатации в зависимости от конкретных производственных и природно-климатических условий предприятия.

В целом, общая методика прогнозирования и расчета величины реакции в основных элементах системы является основой для выполнения амплитудно-частотного анализа реакции опор с целью оценки безопасности эксплуатации кранов предприятий техническими рисками.

Реализация результатов исследований. Основные результаты работы включены в состав нормативно-технической документации Госгортехнадзора РФ, находящейся в настоящее время на стадии

утверждения, в частности "Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин". РД 10-138-97, часть 1. Общие положения (вторая редакция), часть 2. Методика обследования.

Апробация работы . Основные результаты диссертационной работы заслушаны и одобрены коллегией Комитета Госгортехнадзора РФ , на заседаниях кафедры ПТМ УГТУ-УПИ, кафедры сопротивления материалов и теоретической механики УГЛТА, кафедры горной механики УГГГА, научно-практических конференциях по безопасности подъемных сооружений (г. Сочи, 1997г.) и VI Уральской научно-практической конференции по метрологии (г. Екатеринбург, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи и 2 тезисов доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы (59 наименований) и 3 приложений, изложенных на 100 страницах основного текста, в том числе 22 рисунков, 8 таблиц, 36 страниц приложения.

В первой главе изучено состояние вопроса по теме диссертации, определены цель и задачи исследований.

Во второй главе приведено теоретическое исследование взаимодействия элементов системы "Кран-путь".

В третьей главе разработана оригинальная методика

экспериментальных исследований процессов взаимодействия крана и пути, включающая описание применяемых приборов и методику обработки экспериментальных данных.

В четвертой главе приведены методика и результаты вычислительного эксперимента.

Заключение подводит итоги исследования и содержит выводы по работе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проблема исследования закономерностей взаимодействия кранов с крановыми путями теоретически связана с более общей проблемой взаимодействия пути и подвижного состава на объектах железнодорожного и промышленного транспорта . Большой вклад в развитие теории взаимодействия пути и подвижного состава внесли российские и советские ученые М.Ф.Вериго, С.В.Вершинский, А.М.Годыцкий-Цвирко,

В.Н.Данилов, В.А.Лазарян, Н.П.Петров, И.И. Челноков, В.Ф.Яковлев и др. [9, 10, 11, 12, 16, 20, 34, 39, 58, 59]. Ими были выявлены и сформулированы общие закономерности взаимодействия пути и подвижного состава на объектах железнодорожного транспорта. Так, исследованиями Н.П. Петрова и др. было установлено что вертикальные силы инерции неподрессоренных масс в большинстве случаев являются наибольшей компонентой в общем динамическом усилии, передаваемом колесами рельсам при движении подвижного состава по пути. Причинами их возникновения могут быть колебания колес из-за переменного характера сил, прилагаемых к колесной паре, неровности рельсового пути и на колесах, извилистое движение колесных пар и др. [10, 39]. Отмечается, что в приближенных расчетах вполне допустимо принятие гипотезы акад. Н.П. Петрова о том, что зависимость между реакцией рельса и его упругим прогибом под колесом в динамических процессах не отличается от той же зависимости в статике [10].

Эти общие закономерности были уточнены в исследованиях закономерностей взаимодействия кранов и крановых путей, выполненных И.И. Абрамовичем, А.И.Альперович, Г.М.Банных, В.И.Брауде, В.А.Буком, В.И.Богдановым, Л.М.Волиным, К.А.Волковым, А.В.Глазовым, Г.И.Гниломедовым, А.В.Голенищевым, Б.А.Евдокимовым, А.А.Зарецким, В.Н.Ивановым, С.А.Казаком, В.В.Карповым, ИЯ.Кога-ном, А.С.Коноплей,

A.А.Коротким, И.С.Леваковым, А.С.Липатовым, М.Д.Полосиным,

B.И.Поляковым, В.Б.Резниковым, Н.Д.Тагильцевым, М.А.Фришманом,

С.Н.Усовым, Б.Ф.Хазовым, Г.А.Штеллингом и др. [2, 3, 5,7, 8, 13, 14, 15, 17, 19, 22, 23, 24, 25,27 - 32,40, 42, 44, 49, 52 - 54, 57].

В целом проблема исследования взаимодействия кранов и крановых путей имеет различные аспекты :

• определение нагрузок на остов крана ;

• изучение траектории упругой линии , описывающей реальный рельсовый крановый путь;

• изучение траектории движения крана по реальному пути;

• изучение силового взаимодействия крановых ходовых колес с теоретическими и реальными крановыми путями и др..

В результате экспериментальных исследований В.П.Балашов делает вывод о значительном влиянии на траекторию движения мостового крана неровностей пути. При моделировании мостовых и козловых кранов он пользуется расчетной схемой в виде двухмассовой односвязной динамической модели с линейным упругим звеном. В его модели массы приведены к опорам (для козловых) или к концевым балкам (для мостовых) кранов, а другое звено имеет коэффициент жесткости моста крана в горизонтальной плоскости. При необходимости учета массы груза расчетная модель усложняется путем введения третьей массы, соединенной упругим звеном с одной из масс крана [4].

В работах А.В.Голенищева и др. отмечено, что особенность работы кранов на складах заключается в выполнении не столько погрузочно-разгрузочных операций , сколько работы по перемещению грузов на длину до 600-800 м и более. Результаты наблюдений автора за техническим состоянием кранов, показали, что часто кран, совершивший сравнительно немного циклов по подъему груза, выходит из строя раньше другого крана , сделавшего при работе с той же интенсивностью большее число циклов, но работающего в условиях , не требующих длительных перемещений. Отсюда был сделан вывод, что в существующих методиках расчета кранов влияние перекосных нагрузок на процесс накопления усталостных повреждений не

учитывается в достаточной мере с учетом специфики работы кранов на горных предприятиях [ 17, 24, 52-54].

В работах A.C. Конопли, В.Н. Иванова, В.А. Бука, В.А. Фомичева установлено, что на величину нагрузки на ходовые колеса кранов влияют: зазоры между ребордами и рельсами, жесткость кранового пути в горизонтальном направлении [8, 25, 33, 56].

В.Ф. Фомичевым предложена динамическая модель крана с переменной структурой. При движении крана вдоль рельсов металлоконструкция представлялась в виде четырехмассовой упругой модели (три составляющих массы крана, приведенные к опорам и середине пролета, и масса груза). При движении поперек рельса металлоконструкция представлялась в виде шестимассовой модели (каждая из масс крана, приведенных к опорам, делилась на две части). В работе обоснована возможность существенного упрощения модели [56].

В.Н. Иванов, изучая влияние кранового пути на движение мостового крана, рассматривал совокупность данных геодезической съемки пути как реализацию случайной функции. В работе приводится автокорреляционная функция плановых смещений рельсов, полученная в результате исследования 8 крановых путей. Показано, что несовершенства укладки кранового пути в плане оказывают большое влияние на движение крана, предложена классификация качества крановых путей [25].

Большинство авторов, исследующих траектории движения мостовых кранов, признают сильное влияние неровностей крановых рельсов в горизонтальной плоскости на характер и величину перекосных нагрузок. В настоящее время стало традиционным представление неровностей рельсов в виде нормально распределенных стационарных случайных функций. При этом, из-за сложности геодезического обследования большого количества крановых путей, все авторы обычно ограничиваются сравнительно небольшой выборкой при оценке статистических характеристик данной случайной функции. Средние квадратичные отклонения неровностей рельсов

в плане, по данным различных авторов, имеют значительный разброс (см. табл.1.1).

Таблица 1.1

Среднеквадратичные отклонения неровностей рельсов в плане.

Автор, источник Среднеквадратичное

отклонение, мм

Зубков А.Н. [17] 2,8-8,7

Иванов В Jf ,[25] 12,9-21,2

Волин Л.М [13] 5,8 - 10,0

Бук В.А. [8] 5,8-21,4

Авторы используют различного вида аппроксимации от функции Дирака до сложных аппроксимирующих выражений, учитывающих скрытую периодичность исследуемой случайной функции.

Заслуживает внимания опыт исследования надежности механизмов и металлоконструкций портальных кранов коллектива ученых под руководством д.т.н. В. И. Брауде (ЛИИВТ), а также работа д.т.н. А.А.Зарецкого [7, 23]. В них ставилась перед собой цель разработать и внедрить новую систему норм и методов расчета по предельным состояниям , направленную на создание эффективных башенных кранов и снижение их металлоемкости. Краны анализировались как линейные упруго-динамические системы при типичных внешних силовых воздействиях, пр�