автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров гидропривода и конструкции манипуляторов морских кондукторов для погружения свай

На правах рукописи

004610625 Мазаев Виталий Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПРИВОДА И КОНСТРУКЦИИ МАНИПУЛЯТОРОВ МОРСКИХ КОНДУКТОРОВ ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ

Специальность 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОПТ 20Ю

004610625

На правах рукописи

Мазаев Виталий Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПРИВОДА И КОНСТРУКЦИИ МАНИПУЛЯТОРОВ МОРСКИХ КОНДУКТОРОВ для ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ

Специальность 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Диссертация выполнена в ОАО «Научно-исследовательском институте транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС).

Научный руководитель: - кандидат технических наук

Крицберг Леонид Вольфович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Кузин Эдуард Николаевич

- кандидат технических наук Акинфиев Алексей Алексеевич

Ведущая организация: - ООО «Корпорация «ИНЖТРАНССТРОЙ»,

г. Москва.

Защита состоится «18» октября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТе) по адресу: 127994, Россия, Москва, ул. Образцова, дом 9, строение 9, ауд. 2505. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа

Автореферат разослан «16» сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

А. В. Саврухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В настоящее время Россия активно укрепляет свои позиции на мировом рынке жидких углеводородов. В связи с этим растет потребность в строительстве новых морских терминалов. Прибрежное мелководье вынуждает выносить причально-перегрузочные комплексы для нефтеналивных многотоннажных танкеров далеко в море, соединяя их с береговыми комплексами хранения нефтепродуктов морскими эстакадами.

Для строительства морских эстакад, опоры которых, как правило, возводятся на забивных свайных фундаментах, широкое применение получают специализированные механизмы - кондукторы, через направляющие элементы которых и производится забивка свай. Введение в эксплуатацию таких кондукторов позволяет ускорить темп строительства и снизить его стоимость. Современные модели кондукторов оснащаются гидравлическим приводом.

Гидросистема кондуктора служит для выравнивания его при выставлении на проектные отметки, обеспечивает позиционирование направляющего устройства и раскрытие/закрытие захватного механизма, выполнение вспомогательных операций. Работа элементов гидропривода кондуктора сопровождается вибрационными и ударными нагрузками, передающимися от погружающих устройств (вибропогружатель, гидромолот). Влияние вибрации негативно отражается на работе привода, что приводит к уводу сваи с оси забивки. Поэтому при проектировании гидропривода важной задачей является выбор его параметров, позволяющих максимально снизить или полностью устранить воздействие вибрации.

Кроме того, в процессе погружения свай на акватории наибольшую опасность представляют затруднения в определении особенностей геологического строения дна. Наличие препятствий (чаще всего валунов), при попадании сваи на которые резко увеличиваются нагрузки в узлах направляющих устройств, что на практике приводит к выходу их из строя из-за недостаточного запаса прочности.

В связи с этим актуальным становится вопрос исследования и обоснования рациональных параметров гидропривода направляющих устройств (манипуляторов) под действием вибрации, а также анализ воспринимаемых нагрузок его металлоконструкцией при работе на акватории.

Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации объемного гидропривода и конструкции манипуляторов морских кондукторов для погружения свай в условиях вибрационного воздействия.

Методы исследований. Математическое моделирование технических систем с учетом теории колебаний, моделирование процессов погружения сваи с использованием программного обеспечения, экспериментальные исследования на физической модели и на натурном образце в условиях реального строительства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика и выполнен расчет рациональных параметров объемного гидропривода манипулятора для погружения свай;

- разработана математическая модель воздействия вибрации на гидрозамок, что позволило скорректировать его параметры для устойчивой работы гидропривода.

исследовано влияние вибрационного воздействия на блоки позиционирования, оснащенные гидрозамками. В результате разработаны способы стабильного позиционирования направляющего пенала манипулятора на заданной оси;

- обоснован коэффициент запаса по давлению в гидроприводе манипулятора, обеспечивающий надежность его эксплуатации при различных ситуациях, возникающих в процессе погружения свай;

- установлен режим восприятия гидроприводом паралеллограммной подвески и раздвижных створок манипулятора внешних воздействий при погружении свай ударным и вибрационным методами;

- установлен характер распределения нагрузок в металлоконструкции манипуляторов при различных условиях погружения свай, на основании которого разработана методика их расчета и проектирования;

- определена экономическая эффективность «пионерного» способа строительства при использовании гидрофицированного манипулятора.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами испытаний и эксплуатации гидрофицированного манипулятора при строительстве причала.

Практическая ценность работы заключается в разработке модернизированных типов многозвенных манипуляторов, обладающих надежной металлоконструкцией и стабильным гидроприводом. Это обеспечило ритмичное и качественное выполнение свайных работ при строительстве морских причалов и эстакад «пионерным» способом с использованием переставных кондукторов. Исследование работы гидрозамков позволяет повысить надежность гидропривода не только при строительстве причалов, но и в других случаях применения гидравлического вибрационного и виброударного оборудования, в том числе и при разработке нового оборудования путевых машин и гидравлических кранов на железнодорожном ходу.

Реализация работы. Методика расчета манипуляторов с гидравлическим приводом использована филиалом ОАО ЦНИИС НИЦ «Стройтехкомплексы» при проектировании, изготовлении и поставке по заказу ООО «Сочиморстрой» манипуляторов новой модели МН-1 в составе специального технологического оборудования. Таким образом, результаты работы были практически реализованы при строительстве глубоководных причалов нефтеналивного терминала в г. Приморске на Финском заливе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международной научной конференции во Владимирском государственном университете в 2008 г., а также на заседании кафедры «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы» МИИТа в 2009-2010 годах.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы из них 2 в журналах рекомендованных ВАК РФ. Получен (в соавторстве) патент РФ на полезную модель №91345 «Переставной четырехопорный кондуктор для строительства морских эстакад».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и 9 приложений, содержит 184 страницы основного текста с иллюстрациями и список используемой литературы из 72 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели, методы, научная новизна и практическая значимость работы, дано краткое изложение ее содержания и основных результатов исследования.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследований, разработана блок-схема исследований.

Для повышения темпа строительства свайных фундаментов и снижения погрешности отклонения положения свай применяется специальное технологическое оборудование - кондукторы. Анализ существующих конструкций позволил выявить их основные достоинства и недостатки. Наиболее перспективной представляется консольно-навесной кондуктор с гидравлическим приводом, разработанный филиалом ОАО ЦНИИС НИЦ «Стройтехкомплексы» совместно с ООО «Мориссот» (рис.1) и реализующий «пионерную» технологию строительства причалов.

Оборудование представляет собой консольно-навесной рамный П-образный кондуктор, оснащенный двумя шахтами 1 для пропускания опорных колонн 2 и гидравлическими механизмами 3 возвратно-поступательного действия. Кондуктор рассчитан на использование тяжелого гусеничного крана 4 грузоподъемностью 280 т, перемещающегося по специальным сменным инвентарным балкам 5, устанавливаемым в пролет на готовые ростверки опор вслед за кондуктором. Кондуктор задним концом опирается на готовую часть эстакады 6, консольно вывешивается краном над поверхностью забивки, после

чего путем изменения гидроцилиндрами длины опорных, колонн, опирается ими на дно акватории. С помощью крана, установленного на готовой части эстакады, свая 7 подается в направляющее устройство 8. Затем краном на сваю навешивается сваепогружающий агрегат (гидромолот или вибропогружатель). По окончании забивки всех свай в зоне работы кондуктора, он снимается с помощью крана и переставляется на следующий участок забивки.

Имея в качестве направляющего устройства гидрофицированный манипулятор (рис.2), кондуктор позволяет производить забивку свай под любым необходимым углом, устанавливать сваю в заданную точку с минимальной погрешностью, корректировать положение сваи в случае ее ухода. Вместе с тем на практике существует проблема «просадки» манипулятора в процессе забивки, в связи с чем происходит сдвиг сваи с проектной отметки. Поэтому оператор кондуктора вынужден по мере необходимости принудительно корректировать положение манипулятора, а значит и сваи.

Рис.1. Консолъно-навесной кондуктор для «пионерной» технологии строительства.

Рис. 2. Направляющий манипулятор на кондукторов.

В процессе погружения при попадании сваи на препятствие в узлах манипулятора возникает резкое увеличение нагрузок, что может привести к выходу конструкции из строя. Для повышения надежности конструкции необходимо провести исследования с целью определения допустимых нагрузок на звенья манипулятора.

Исходя из цели выполнения работы определены следующие задачи исследований:

1. Исследовать работу элементов гидросистемы манипулятора;

2. Разработать методику расчета гидрозамков в условиях вибрационного воздействия;

3. Разработать рекомендации по снижению влияния вибрации и ударов на уход манипуляторов с проектной отметки;

4. Исследовать работу гидравлических манипуляторов с определением нагрузок, воспринимаемых их металлоконструкцией в процессе вибропогружения при различных углах забивки свай;

8

5. Разработать рекомендации по типоразмерному ряду и эксплуатации гидравлических манипуляторов применительно к технологическим процессам строительства гидротехнических сооружений «пионерным» способом.

Вторая глава посвящена анализу и расчету гидропривода манипулятора. Приведена типовая гидравлическая схема привода манипулятора (рис.3).

Рис.3. Схема гидравлическая привода манипулятора.

Разработанная методика реализована в форме электронных таблиц EXCEL, что позволило выбрать основные элементы привода. Полученные результаты легли в основу принятия проектных решений при создании привода механизмов раскрытия створок и вылета манипулятора.

Проведен анализ воздействия вибрации на ключевой гидроэлемент привода (гидрозамок), представленный в виде схемы (рис.4).

Рис.4. Схема воздействия вибрации на гидроэлемент.

Выявлено, что причиной ухода манипулятора с проектной отметки могли служить вызванные ударами или вибрацией перетечки в полостях удерживающих гидроцилиндров или некорректная работа фиксирующих их положение гидрозамков.

Обзор существующих методик расчета гидрозамков (расчет запорного элемента и пружины) выявил, что методика, позволяющая проанализировать и обосновать характеристики замков под действием вибрации (внешней, внутренней) отсутствует.

Автором определена характеристика к гидрозамка для гидравлических манипуляторов (к > 2,3) - соотношение площадей плунжера и запорного элемента, обеспечивающая эффективную работу гидросистемы.

Схема установки односторонних и двусторонних гидрозамков представлена на рис.5.

1 1

,7? ;77

ч1 VI __1

2

к 5 '

1 0

г 1

Ч"1 г

Тг

Рис.5. Схема установки гидрозашов на цилиндре.

В статическом режиме после выдвижения штока гидроцилиндра 1 и установки распределителя в нейтраль (рис.5) поршеньки 2 гидрозамков 3 (односторонние) и 3'(двусторонние) также занимают нейтральное положение, а клапаны 4 пружинами 5 плотно прижимаются к седлам 6 и делают полости гидроцилиндра 1 герметичными, т.е. выполняют роль блокирующих устройств, чем обеспечивается жесткая фиксация штока гидроцилиндра в заданном положении. Однако под воздействием вынужденных колебаний, создаваемых погружателем, свая также испытывает колебательные движения, частично 10

передаваемые через стенки пенала на подвеску манипулятора. Шток с поршнем гидроцилиндра испытывает знакопеременные нагрузки, стремящиеся выдвинуть и втянуть шток внутрь корпуса гидроцилиндра. В результате этого в полостях гидроцилиндра давление то возрастает выше статического, то падает до значения, близкого к нулевому. При этом внешнему вибровоздействию подвергаются также гидрозамки З(З') и их внутренние взаимоподвижные детали: клапаны 4 и поршеньки 2, сопряженные по посадке скольжения. Поэтому возможна ситуация, при которой давление в полости гидроцилиндра на короткий промежуток времени резко падает, а корпус гидрозамка 6 на этот же промежуток резко перемещается вместе с подвеской манипулятора (по схеме - вправо). Обладая инерцией, поршеньки 2 и клапаны 4 частично смещаются относительно корпусов (по схеме - влево), в результате чего клапан теряет герметичность, и становится возможным перетекание жидкости из полости гидроцилиндра во внешние линии. В процессе колебаний объем масла в полости гидроцилиндра постепенно уменьшается, что приводит к самопроизвольному «дрейфу» штока под влиянием действующих на него внешних усилий. При этом изоляция в экспериментальном порядке корпуса замка от вибрационного воздействия не обеспечивала герметичности элементов привода.

Поэтому автором был проведен математический анализ поведения запорного элемента гидрозамка (рис.6) под действием вибрации при основных частотах, используемых при погружении свай (10 и 20 Гц):

— х = у Л

, ^ СОБИ*. , „ , (I >

Ж А,„ ' Ж

(1)

где V - скорость перемещения запорного элемента гидрозамка; х -перемещение запорного элемента гидрозамка; т - масса запорного элемента; рш

- статическое давление в рабочей полости гидроцилиндра (штоковая); Аш -рабочая площадь гидроцилиндра (штоковая) - Аш = С - жесткость

пружины; ктр - коэффициент вязкого трения запорного элемент в масле; Т2 -площадь запорного элемента гидрозамка; Р0 - усилие поджатая запорного элемента пружиной; Б - амплитуда возмущающей силы; - частота возмущающего воздействия.

Колебания давления в клапанной полости гидрозамка представлены на рис. 6:

х10А7

Р.МПа «=10Гц ^Мы!

; Л - Л . Л л Л Л Л

т^г^г V.

"йййЧййш

.2 -j-

.3 J-

t,C

Рис. (5. Колебания давления в клапанной полости гидрозамка МКУ12 при возмущающих частотах 10 и 20Гц.

Результаты решения системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта в среде MathCad приведены на рис.7 (x(t) - характеристика замка МКУ12; y(t) - жесткость пружины увеличена на 20%; a(t) - масса клапана увеличена в 2 раза).

Как видно из диаграмм - при значительном возмущающем воздействии (рис.6) происходит приоткрывание запорного клапана гидрозамка, что приводит к выпрыску масла из полости гидроцилиндра.

Х10А7

w=l 0Гц w=20Fu ; Л - Л , ■ Л ^ • Л 11 1 , h ' 1 il /• n i î Л ' > i1

,' 1 • ! 1 1 > ' h i 11 ''> ч ' 1 Г, !ï ; ! ? i : 1 : ». j : »! M T \ • ? M : 1 \ • 1 l * l > ' 1 ' ( '

i 'f » 1 V II V ' И 'i 1 ' iL\

гШгиП'Ю ¡JbV

•i. \!iTTT 1; ■ i • > • i 1■ i ; 1.! ■ 1 , !

! : и > \j : 4 ' 1 V </ ' Ч к' V ' <1 1 i \i i V «

t,

а)

I 5

б)

Рис. 7. Перемещение запорного элемента гидрозамка в результате пульсации давления в системе: а) при частоте колебаний 10 Гц; б) при частоте колебаний 20 Гц.

Анализ схемы поведения элементов гидрозамка под действием вибрации и полученные в результате расчетов АЧХ позволили определить его рациональные параметры и внести необходимые улучшения в конструкцию: увеличение массы запорного клапана; повышение жесткости пружин. Увеличение жесткости пружины на 20% в 2 раза уменьшает теоретический объем утечек, в результате чего погрешность в уходе сваи в процессе работы снижается до 8 мм. На основании расчетов определены требования к

параметрам элементов гидрозамка, повышающие резонансные частоты работы гидрозамка. При собственных частотах колебания гидросистемы - 30-40 Гц резонансные частоты гидрозамка - 50 Гц, следовательно - замок работает вне резонансной зоны.

В третьей главе рассмотрены экспериментальные исследования элементов гидропривода. Выполнен анализ существующих испытательных стендов гидрооборудования. Проведение экспериментов по исследованию влияния вибрации на гидрозамок потребовало создания испытательного стенда (рис.8).

Рис. 8. Схема виброоборудования для испытания гидрозамков: 1 — вибропогружатель; 2 - рама; 3, 5 - гидроцилиндры; 4 - плита гидрозамков.

Экспериментальные исследования проводились для трех типов гидрозамков, выпускаемых промышленностью: одностороннего МКУ12 двустороннего ГС 12 и двустороннего ГЗМ10. В ходе экспериментов гидрозамки устанавливались в три положения: 1) гидрозамок подвергается воздействию вибрации; запорный элемент перемещается в горизонтальном направлении; 2) гидрозамок подвергается воздействию вибрации; запорный элемент перемещается в вертикальном направлении; 3) гидрозамок не подвергается воздействию вибрации; запорный элемент перемещается в

горизонтальном направлении. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графиков зависимости объема утечек от частоты виброколебаний (рис.9-10). В ходе исследования воздействия вибрации, для снижения утечек, повышалось трение между плунжером и корпусом путем установки на плунжере пары уплотнительных колец (рис.9).

На основании анализа результатов эксперимента сформулированы следующие рекомендации для стабилизации положения параллелограммной подвески и минимизации самопроизвольного «дрейфа» штоков ее гидроцилиндров:

• блок гидрозамков следует устанавливать на опорной базовой плите;

• ориентация гидрозамков должна обеспечить функциональное перемещение запорных элементов в горизонтальном направлении (ортогонально к вибрационному и ударному воздействию);

• пружины прижима клапанов к седлам должны быть усилены, а толкающие поршеньки оснащены уплотнительными кольцами, обеспечивающими повышенные силы трения их движения в корпусе замка;

• крепление плиты с гидрозамками на базовой конструкции следует производить с использованием виброизоляционных прокладок из упругих материалов (резина, полиуретан и т.п.).

В четвертой главе проведен структурный анализ конструкции манипулятора математическим методом теории графов. Изменение кинематики с одностороннего на двустороннее раскрытие створок пенала позволили автору снизить требуемую рабочую зону манипулятора на 28%, что особенно актуально при забивке свай с небольшим межосевым расстоянием (рис.11).

а)

Л 0.14 0.12 0.1

0.08 0.06 0.04 0.02

10 12 14 16 18 20 22 24 28 28 30

*>. Гц

б)

п 0.14 0.12 0.1 0.08 0.0© 0.04 0.02

1 2

\ «л

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

».Гц

В)

Рис.9. Зависимости объема утечек от частоты виброколебаний (1 - ГС12; 2 -ГЗМ10; 3 - МКУ12): а) при горизонтальном положении запорного элемента; б) при вертикальном положении запорного элемента; в) при изоляции плиты гидрозашов от воздействия вибрации.

' ' ' '

\ V-

10 12 14 1й 18 20 22 2" 24 20 31

Гц

Рис.10. Зависимости объема утечек от частоты виброколебаний для гидрозамка МКУ12: 1 - вертикальное положение запорного элемента; 1' - то же, с установленными уплотнителъными кольцами; 2 - горизонтальное положение запорного элемента; 2' - то же, с установленными уплотнителъными кольцами; 3 — корпус гидрозамка не подвержен механической вибрации.

Исследование влияния нагрузок при вибропогружении и забивке свай проведено с помощью алгоритма метода конечных элементов С08М08\Уогкз. В результате моделирования получены следующие результаты:

- значения напряжений в узлах;

- перемещение в узлах манипулятора;

- деформационная форма модели;

-критерий максимума нормальных напряжений (распределение коэффициента запаса).

Возмущающее усилие на металлоконструкцию задавалось в следующем

виде:

а

■ при вертикальном погружении N = (Fm ■ sinwt + FM + FC)-

2-h1

(2)

- при погружении сваи под углом а

лГ F. , d п ,ч • ч Fc , d

ЛГ = -а . (-+ (/ +1) • sin a) + — • (--

h 2-cos a h 2-cosor

/■sin a, F„-sinwt-d

+-:-) + -

, U ' (3)

2 2-я

где Fm ■ sin wt - возмущающее усилие погружателя; FM - вес погружателя; Fc - вес сваи; d - диаметр погружаемой сваи; h - плечо приложения силы реакции опоры сваи на манипулятор; / - длинна погружаемой сваи; w - частота возмущающего воздействия.

Результаты моделирования представлены в виде графиков (рис. 12-14), показывающих зависимость изменения напряжений в наиболее опасных точках манипулятора от увеличения толщины стенки металла. Основной линией показаны напряжения при вертикальном погружении, штрихпунвсгиром - при погружении сваи под наклоном 1А.

Гиаромо.тот

Внбр<я»гу>ужа

Рис. 12. Зависимость напряжений в узлах манипулятора от толщины стенки металла для сваи 0 1020мм.

.............. ----

Пцромол^т

1 - тень к!=1.6* Ы=1.8

5 6 7 8 9 10 11

В, ни

Рис. 13. Зависимость напряжений в узлах манипулятора от толщины стенки металла для сваи 0 1220мм.

"].............

V. 108 ---:

Падкл ГЛОТ

Вийропоп ^-житель

5 7 9 11 13 15 17 19 21

Рис. 14. Зависимость напряжений в узлах манипулятора от толщины стенки металла для сваи 01420мм.

Моделирование процесса погружения при различных положениях сваи в среде С08М05\¥огкз позволило произвести анализ распределения нагрузок на элементы металлоконструкции манипулятора. При погружении свай о 1020 и 01220 мм с помощью вибропогружателя металлоконструкция манипулятора с толщиной стенки 8 мм не испытывает критических значений напряжений, а значение коэффициента запаса Кзтт=2. Однако при забивке свай гидромолотом происходит увеличение нагрузок на узлы, а значение коэффициента запаса падает до 1,5 и 1,3 соответственно для свай 01020 и 220 мм. При увеличении диаметра сваи до 1420 мм коэффициент запаса уменьшается до 1. Повышение толщины стенки прямоугольного профиля металлоконструкции манипулятора с

6 до 10 ми увеличивает коэффициент запаса на 15%. Дальнейшее утолщение невозможно в связи с отсутствием профиля по ГОСТ 8639-82. В качестве повышения надежности автором рекомендовано наваривание стальных пластин толщиной 10 мм на переднюю и заднюю стенки труб в зоне крепления проушин. Коэффициент запаса повышается до 2,26. Также для уменьшения контактных напряжений на опоры целесообразно увеличить площадь опирания трапеции на манипулятор (К3 = 2,74).

В пятой главе описаны эксплуатационные испытания металлоконструкции манипулятора, которые проводились с целью измерения действительных величин напряжений в металлоконструкции манипулятора и подтверждения результатов теоретических исследований, представленных в главе 4. Также исследовалось поведение гидропривода манипулятора в экспериментальных условиях работы. В соответствии с разработанными технологическими регламентами, испытания проводились при строительстве причала для нефтяных танкеров в г. Приморск на Балтийском море. Погружались сваи диаметром 1420 мм глубиной от 15 до 25 метров под разными углами наклона с применением в качестве вибрационного оборудования вибропогружателя MULLER MS-50 Н HF.

Результаты испытаний представлены в виде диаграмм напряжений при вертикальном погружении (рис.15) и погружении при наклоне сваи 1А (рис.16).

о. 2

а* 008 Н/И2 1.5 ■

0.5 0 -0.5

-1.5

и

Рис.15. Напряжения в узлах манипулятора при вертикальном погружении.

Рис.16. Напряжения в узлах манипулятора при забивке под углом 1/4.

Сопоставление результатов испытаний, проведенных при строительстве причала, с результатами теоретических исследований и вычислительного эксперимента подтвердили адекватность разработанной модели. Сравнения

52 1

проводились при помощи критерия Фишера р = где =(—-*Г и

п

^= 7 (р > 0,05) - при вертикальном погружении; = 10,71 (р > 0,05) -при погружении сваи под наклоном. Интервальная оценка экспериментальных и теоретических данных подтвердила адекватность проведенных исследований металлоконструкции манипулятора.

В шестой главе предложен модульный метод компоновки оборудования, предусматривающий использование изделий, образующих типоразмерные ряды и выполненный на трехуровневой основе.

Первый уровень составлен в соответствии с требованиями технологии вибропогружения свай «пионерным» способом и включает в себя:

- виброагрегат (вибратор и/или вибромолот);

- гидравлический манипулятор;

- гидравлическую насосную станцию;

- кондуктор;

- набор сменных угловых проставок и переходных плит Второй уровень состоит из модулей, на основе которых компонуются модули первого уровня

Модули второго уровня компонуются из модулей третьего уровня по узловому принципу. Для их изготовления используют унифицированные узлы, детали и покупные изделия, широко применяемые в машино- и мостостроении.

Проведена технико-экономическая оценка эффективности применения «пионерной» технологии при использовании манипулятора с гидравлическим приводом.

На рис. 17 показана экономическая эффективность «пионерной» технологии на примере строительства пирса длиной 360м с шагом свай 18 м по 2 сваи в каждом ряду. При сооружении объекта выгода в темпах строительства при использование кондуктора для «пионерного» способа строительства, оснащенного манипулятором с гидроприводом, реализующим основные положения и выводы диссертации, при прочих равных условиях составит 39%.

Скорость

строительства. ^л—- ■ .............." ' ™ ' .....-.....................................

сутки . '

Рис. 17. Сравнительная характеристика темпов строительства при использовании плавкондутора и кондуктора для «пионерного» способа строительства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Теоретические разработки, экспериментальные исследования и опыт применения конструкций в условиях реального строительства позволили установить следующее:

1. Использование «пионерной» технологии обеспечивают высокие темпы строительства гидротехнических сооружений и неразрывность технологического потока. Наличие гидравлических манипуляторов, позволяет производить корректировку положения свайного элемента в случае его ухода от оси забивки, погружать сваи под любым необходимым углом.

2. Разработана математическая модель расчета выходной характеристики гидропривода манипулятора, реализованная в электронных таблицах Excel, что позволяет существенно сократить трудоемкость и время расчета.

3. Разработана математическая модель воздействия вибрации на гидрозамок, что позволило скорректировать его параметры для устойчивой работы гидропривода.

4. Экспериментальные исследования воздействия вибрации на гидравлические блоки позиционирования манипулятора, оснащенные гидрозамками, позволили установить характер изменения утечек при различной установке замка. На основании чего определены параметры для максимального снижения возможных утечек на 42%.

5. Изменение геометрии раскрытия створок манипулятора позволило уменьшить рабочую зону манипулятора на 28%. Уменьшение габаритных размеров при раскрытии створки составило 35%.

6. Моделирование процесса погружения при различных положениях сваи в среде COSMOSWorks позволило произвести анализ распределения нагрузок на элементы металлоконструкции манипулятора. Изменение толщины стенки профиля с 8 до 10 мм повышает коэффициент запаса на 15% .В результате К, = 2. Для уменьшения контактных напряжений за счет конструктивных изменений предложено увеличить К3 до 2,74.

7. Проведенные тензометрические испытания подтвердили адекватность результатов математического моделирования.

8. Полученные в результате выполнения работы новые технические решения являются патентно-способными. Получен в соавторстве патент на

полезную модель №91345 «Переставной четырехопорный кондуктор для строительства морских эстакад».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мазаев В.Ю. Сооружение свайных причалов на морских акваториях с использованием кондуктора. Научные труды ОАО ЦНИИС - Вып. 238 - М.: ОАО ЦНИИС, 2007 - 124с.

2. Панин И.А., Крицберг Л.В., Виноградов О.В., Мазаев В.Ю. Особенности конструкции и гидропривода манипуляторов для свайных работ при сооружении морских эстакад и причалов. Подъемно-транспортное дело, №5-6, стр. 4-8 - М.: НПП Подъемтранссервис, 2009.

3. Крицберг Л.В., Мазаев В.Ю. Современные технологии и кондукторы для свайных работ на акватории. Транспортное строительство, №1, стр.6-8 - М.: Трансгидромеханизация, 2010 - 36с.

4. Крицберг Л.В., Мазаев В.Ю. и др. Патент РФ на полезную модель №91345 «Переставной четырехопорный кондуктор для строительства морских эстакад».

Мазаев Виталий Юрьевич

Обоснование рациональных параметров гидропривода и конструкции манипуляторов морских кондукторов для погружения свай

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

Подписано в печать 17.09.2010.

Формат 60 х 84 У16.

Объем 1,75 п.л. Тираж 80 экз. Заказ 16.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС.

¡29329, Москва, Кольская 1 Тел.: (499) 180-94-65

Введение.

Глава 1. Современные технологии и производство свайных работ на акватории.

1.1. Функции конструктивных элементов системы «кран -сваепогружающий механизм - кондуктор — свайный элемент» и технические требования к ним.

1.2. Классификация кондукторов для забивки свай.

1.3. Применение гидропривода в технологическом оборудовании для свайных работ.

1.4. Обзор и анализ патентных материалов.

1.5. Выводы по главе. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Исследование работы гидросистемы манипулятора.

2.1. Расчет привода с гидроцилиндром.

2.2. Исследование характера вибровоздействия на гидроагрегаты.

2.3. Основы расчета и проектирования гидрозамков для объемных гидроприводов манипуляторов.

2.3.1.Основные типы гидрозамков.

2.3.2. Анализ существующих методик расчета гидрозамков.

2.3.3. Разработка методики расчета параметров гидрозамков для работы в условиях вибрационных воздействий.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования элементов гидропривода.

3.1. Стенды для исследования элементов гидропривода.

3.2.Исследование влияния вибрации на гидрозамки.

3.3. Программа и методика экспериментальных исследований.

Актуальность темы. В настоящее время Россия активно укрепляет свои позиции на мировом рынке жидких углеводородов. В связи с этим растет потребность и в строительстве новых морских терминалов. Прибрежное мелководье вынуждает выносить причально-перегрузочные комплексы для нефтеналивных танкеров далеко в море, соединяя их с береговыми комплексами хранения нефтепродуктов морскими эстакадами.

Для строительства морских эстакад, опоры которых, как правило, возводятся на забивных свайных фундаментах, широкое применение получают специализированные механизмы - кондукторы, через направляющие элементы которых и производится забивка свай. Введение в эксплуатацию таких кондукторов позволяет укорить темп строительства и снизить его стоимость. Современные модели оснащаются гидравлическим приводом.

Гидропривод кондуктора служит для выравнивания его при выставлении на проектные отметки, обеспечивает позиционирование направляющего устройства, раскрытие/закрытие захватного механизма и выполнения вспомогательных операций. Работа элементов гидропривода рабочего органа сопровождается вибрационными и ударными нагрузками, передающимися от погружающих устройств (вибропогружатель, гидромолот). Влияние вибрации негативно отражается на работе привода, что приводит к уводу сваи с оси забивки. Поэтому при проектировании гидроприводов важной задачей является выбор его параметров, позволяющих снизить или полностью устранить воздействие вибрации.

В процессе погружения свай на акватории наибольшую сложность представляет неопределенность геоподосновы дна. Т.е наличие в донном грунте препятствий (чаще всего валуны), при попадании на которых сваи резко увеличиваются нагрузки в узлах направляющих устройств, что на практике приводит к выходу их из строя из-за недостаточного запаса прочности.

В связи с этим актуальным становится вопрос исследования и обоснования рациональных параметров гидропривода направляющих устройств (манипулятора) под действием вибрации, а также анализ воспринимаемых нагрузок его металлоконструкцией при работе на акватории.

Целью работы является повышение эффективности эксплуатации объемного гидропривода и конструкции манипуляторов морских кондукторов для погружения свай в условиях вибрационного воздействия.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика и выполнен расчет рациональных параметров объемного гидропривода манипулятора для погружения свай;

- разработана математическая модель воздействия вибрации на гидрозамок, что позволило скорректировать его параметры для устойчивой работы гидропривода.

- исследовано влияние вибрационного воздействия на гидрозамки, что позволило разработать способы стабильного позиционирования направляющего пенала манипулятора на заданной оси;

- обоснован коэффициент запаса по давлению в гидроприводе манипулятора, обеспечивающий надежность его эксплуатации при различных ситуациях, возникающих в процессе погружения свай;

- установлен режим восприятия гидроприводом паралеллограммной подвески и раздвижных створок манипулятора внешних воздействий при погружении свай ударным и вибрационным методами;

- установлен характер распределения нагрузок в металлоконструкции манипуляторов при различных условиях погружения свай, на основании которого разработана методика их расчета и проектирования;

- определена экономическая эффективность «пионерного» способа строительства при использовании гидрофицированного манипулятора.

Практическая ценность работы заключается в разработке модернизированных типов многозвенных манипуляторов, обладающих надежной металлоконструкцией и стабильным гидроприводом. Это обеспечило ритмичное и качественное выполнение свайных работ при строительстве морских причалов и эстакад «пионерным» способом с использованием переставных кондукторов.

Обоснованность и достоверность научных положений. Достоверность результатов исследований обусловлена корректностью исходных предпосылок и принятых допущений при составлении математических моделей и подтверждена данными, полученными в ходе лабораторных экспериментов. Достоверность научных положений подтверждается также результативным использованием разработанных рекомендаций, методик расчета и проектирования при создании современных моделей гидравлических манипуляторов и их эффективным использованием в составе кондукторов в процессе сооружения свайных оснований морских причалов и эстакад.

Реализация работы. Методика расчета манипуляторов с гидравлическим приводом использована филиалом ОАО ЦНИИС НИЦ «Стройтехкомплексы» при проектировании, изготовлении и поставке по заказу ООО «Сочиморстрой» манипуляторов новой модели МН-1 в составе специального технологического оборудования. Таким образом результаты работы были практически реализованы этой организацией при строительстве глубоководных причалов нефтеналивного терминала в г.Приморске на Финском заливе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международной научной конференции во Владимирском государственном университете в 2008 г., а также на заседании кафедры

Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы» МИИТа в 2009-2010 годах.

Публикации. Получен (в соавторстве) патент РФ на полезную модель №91345 «Переставной четырехопорный кондуктор для строительства морских эстакад». Статьи:

1. Крицберг JI.B., Мазаев В.Ю. Сооружение свайных причалов на морских акваториях с использованием кондуктора. Научные труды ОАО ЦНИИС - Вып. 238 - М.: ОАО ЦНИИС, 2007 -124 с.

2. Крицберг JI.B., Мазаев В.Ю. Современные технологии и кондукторы для свайных работ на акватории. Транспортное строительство, №1, 2010, стр. 6-8.

3. Панин И.А., Крицберг Л.В., Виноградов О.В., Мазаев В.Ю. Особенности конструкции и гидропривода манипуляторов для свайных работ при сооружении морских эстакад и причалов. Подъемно-транспортное дело, №5-6 - М.: Hüll Подъемтранссервис, 2009.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и 9 приложений. Диссертация содержит 183 страниц основного текста с иллюстрациями и список используемой литературы из 59 наименования.

Общие выводы и рекомендации Выводы

Теоретические разработки, экспериментальные исследования и опыт применения конструкций в условиях реального строительства с участием автора позволили установить следующее:

1. Использование «пионерной» технологии обеспечивают высокую скорость строительства гидротехнических сооружений и неразрывность технологического потока. Наличие гидравлических манипуляторов, позволяет производить корректировку положения свайного элемента в случае его ухода от оси забивки, погружать сваи под любым необходимым углом.

2. Разработана математическая модель расчета выходной характеристики гидропривода, реализованная в электронных таблицах Excel, что позволяет существенно сократить трудоемкость и время расчета.

3. Разработана математическая модель воздействия вибрации на гидрозамок, что позволило скорректировать его параметры для устойчивой работы гидропривода.

4. Экспериментальные исследования воздействия вибрации на гидрозамки позволили установить характер изменения утечек при различной установке замка. На основании чего установлены параметры для максимального снижения возможных утечек на 42%.

5. Изменение геометрии раскрытия створок манипулятора позволило уменьшить требуемую рабочую зону манипулятора на 28%. Уменьшение габаритных размеров при раскрытии створки составило 35%.

6. Моделирование процесса погружения при различных положениях сваи в среде COSMOSWorks позволило произвести анализ распределения нагрузок на элементы металлоконструкции манипулятора. Повышение толщины стенки профиля с 8 до 10 мм увеличивает коэффициент запаса на 15% .В результате К3 = 2. Для уменьшения контактных напряжений за счет конструктивных изменений предложено увеличить К3 до 2,74.

7. Проведенные тензометрические испытания подтвердили адекватность результатов математического моделирования.

8. Полученные в результате выполнения работы новые технические решения являются патентно-способными. Получен в соавторстве патент на полезную модель №91345 «Переставной четырехопорный кондуктор для строительства морских эстакад».

Рекомендации

В качестве рекомендательных документов, обеспечивающих разработку перспективных комплектов гидравлического оборудования для работ по «пионерной» технологии в работе приведены:

1. Методика расчета металлоконструкции манипулятора в зависимости от используемых свай и рекомендации по металлоконструкции;

2. Методика расчета и выбор основных частей системы гидропривода для «пионерного» способа строительства;

3. Типоразмерный ряд виброагрегатов.

1. Свайные работы/М. И. Смородинов, А. И. Егоров, Е. М. Губанова и др.; Под ред. М. И. Смородинова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988. - 223 с.

2. СНиП 3.07.02-87. Гидротехнические, морские и речные транспортные сооружения/Госстрой России. М.: ГУЛ ЦПП, 2000. - 120 с.

3. Мазаев В.Ю. Сооружение свайных причалов на морских акваториях с использованием кондуктора. Научные труды ОАО ЦНИИС Вып. 238 - М.: ОАО ЦНИИС, 2007 - 124с.

4. Крицберг JI.B., Мазаев В.Ю. Современные технологии и кондукторы для свайных работ на акватории. Транспортное строительство, №1, 2010, стр. 6-8.

5. Машкович О.Н., Удалов Н.К., Маргулис М.В., Самочернов В.Г. Плавучая копровая установка. Транспортное строительство, №10, 1980, стр. 27-28.

6. Novel poling pontoon for Hong Kong jetty. Ground engineering, 1981, July, vol. 14, №5, p.54, 57 - 58

7. Опыт применения кондукторов для погружения свай, шпунта, оболочек при возведении портовых гидротехнических сооружений. Под ред. Е.П. Сорокина. М.: ВПТИТРАНССТРОЙ, 1980.

8. Яковенко В.Г. Строительство причалов. М.: Транспорт, 1981 -256 с.

9. Бобриков В.Б. Строительные работы и машины в мосто- и тоннелестроении: Учебник для вузов. В 2-х ч. Часть 2. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2008. - 694 с.

10. Виноградов О.В. Диссертационная работа. — Обоснование параметров и разработка комплекта гидравлического виброоборудования для подачи и уплотнения бетона при сооружении буронабивных свай. 2004г. с. 44-45.

11. Мелик-Гайказов В.И. и др. Сравнение характеристик гидростатического и электрических приводов крановых механизмов. М.: Труды ВНИИПТМАШ «Исследование гидропривода подъемно-транспортных машин», вып. 5(92), 1969.

12. Черненко С.И. Диссертационная работа. Обоснование конструкции и параметров гидравлических амортизаторов к виброоборудованию для устройства буронабивных свай. 2006г. с. 37.13. Рекламные проспект Hydac.

13. Рекламные проспект Rexroth.

14. Рекламные проспект Plasser&Theurer.

15. Рекламные проспект Matiza.

16. Рекламные проспект Parker.

17. Ковальский В.Ф. и др. Расчет параметров гидравлического привода поступательного действия на ПЭВМ. М.: МИИТ 2002 -50 с.

18. Полякова JI.E. Гидравлический расчет объемного гидропривода. М., 2001 19 с.

19. Гавриленко Б.А., Минин В.А., Рождественский С.Н. Гидравлический привод. М.: «Машиностроение», 1968 492 с.

20. Абрамов Е.И. и др. (1977) Элементы гидропривода. Справочник. Киев: «Техника», 1977 320 с.

21. Кулагин A.B. и др. Основы теории и конструирования объемных гидропередач. М.: Высшая школа, 1968 381 с.

22. Гречин Н.К., Васильченко В.А., Житкова С.А. Гидравлическое оборудование для гидроприводов строительных, дорожных и коммунальных машин. М., ЦНИИТЭстроймаш, 1978.

23. Прокофьев В.Н., Данилов Ю.А. Кондаков JI.A. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод. М., Машиностроение, 1969.

24. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник: Библиотека конструктора. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.

25. Свешников В.К. Гидрооборудование. Международный справочник. В 3 кн. Кн. 2 Гидроаппаратура. М.: «Техинформ», 2002 509 с.

26. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для вузов. 1982 424 с.

27. Башта Т.М. и др. Объемные гидравлические приводы. М.: «Машиностроение», 1968 628 с.

28. Мелик-Гайказов В.И. и др. Гидропривод тяжелых дорожных машин и самоходных агрегатов. М.: «Машиностроение», 1968 -264 с.

29. Панин И.А., Крицберг Л.В., Виноградов О.В., Мазаев В.Ю. Особенности конструкции и гидропривода манипуляторов для свайных работ при сооружении морских эстакад и причалов.

30. Подъемно-транспортное дело, №5-6, стр. 4-8 М.: НПП Подъемтранссервис, 2009.

31. Гликман Б.Ф. Математические модели гидравлических систем. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986 368 с.

32. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике: Учеб. для вузов/Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003 - 496 с.

33. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1990 - 478 е.: ил.

34. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — 4-е изд., перераб. М.: Наука, 1968-940 е.: ил.

35. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. -3-е изд., перераб. и доп. JL: Машиностроение, 1976 - 320 с.

36. Скрицкий В.Я., Рокшевский В. А. Эксплуатация промышленных гидроприводов. — М.: Машиностроение, 1984 -176 с.

37. Полюшков А.Г. Экспериментальное исследование гидросистем и агрегатов. М.: Машиностроение, 1972 - 37 с.

38. Елинсон И.И., Панин И.А., Солдатов B.J1. Методические указания на проектирование систем объемного гидропривода машин транспортного строительства. М.: Оргтрансстрой, 1972.

39. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики, Москва. Высшая школа, 1966. -487 с.

40. Веников В.А. Основы моделирования и подобия, Москва. Высшая школа, 1971. 506 с.

41. Зайдель А.И. Элементарные оценки ошибки измерений. Ленинград. Наука, 1968. 97 с.

42. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. Москва. Наука, 1971. 192 с.

43. Артоболевский И.И. Теория машин и механизмов. — М. Наука, 1974.-432 с.

44. Решетов JI.H., Самоустанавливающиеся механизмы. М.: Машиностроение, 1979. - 334 с.

45. Кожевников С.Н. Механизмы. Справочник. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1976 - 784 с.

46. Белов В.В. Теория графов. Учебное пособие для ВТУЗов. М.: Высшая школа, 1976-393 с.

47. Александров A.B., Державин Б.П., Потапов В.Д. Сопротивление материалов. М., Высшая школа, 2003. 560 с.

48. Дарков В.А., Шапиро Г.С, Сопротивление материалов: учебник для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1975. - 654 с.

49. Смирнов А.Ф. и др. Сопротивление материалов: Учебник для ВТУЗов. М.: Высшая школа, 1975.-480 с.

50. Алямовский A.A., SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.-ДМК Пресс, 2004 -432 с.

51. Алямовский A.A., Собачкин A.A., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. SolidWorks компьютерноемоделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

52. COSMOSDesignSTAR 4.5 Basic User's Guide. Structural Research and Analysis Corporation, USA, 2004.

53. COSMOS Works Online User's Guide. Structural Research and . Analysis Corporation, USA, 2004.

54. Галлагер P. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984.

55. Технические условия на производство и приемку работ по постройке мостов и труб (ТУСМ-58). М., Трансжелдориздат, 1959 г.58. http://www.svarkaitifo.ru/rus/lib/quolity/defect/59. http://www.npprusmet.ru/svarka.php

56. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие/под ред. Р.А.Макарова.-М.: Машиностроение, 1975.-288 с.

57. Потенциальная точность измерений: Научное издание -Учебное пособие/ Под ред. В.А.Слаева С.-Пб.: АНО НПО «Профессионал», 2005 - 104 е.: ил.

58. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров / Пер. с польск. М.: Мир, 1989. 335 с.

59. Статистические методы обработки эмпирических данных. Рекомендации. М.: Госстандарт, 1978. - 232 с.

60. Львовский В.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988 - 239 с.

61. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. Мир, 1980-511с.

62. Каталог гидрооборудования. Гидроцилиндры, рукава высокого давления. РИЦ «Апельсин», г. Елец, 2008 140 с.

63. Методические указания по изготовлению, монтажу и наладке систем гидропривода машин транспортного строительства. М.: ЦНИИС, 1981.

64. Госстандарт России. ГОСТ Р 50906-96. Оборудование сваебойное. Общие требования безопасности. ИПК Издательство стандартов, 1996 г.

65. Левинзон A.J1. Современное оборудование для свайных работ. Обзор. Москва, ЦИНИС Госстроя СССР, 1975 г. 44 с.

66. Каталог Muller (вибропогружатели).

67. Каталог Ice (вибропогружатели).72. Каталог IHC Hidrohammer.