автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование структуры и силовых параметров дифференциальной системы торможения крана пролетного типа на рельсовом ходу

На правах рукописи

Стрельцов Сергей Владимирович

Обоснование структуры и силовых параметров дифференциальной системы торможения крана пролетного типа на рельсовом ходу

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные

машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 - МАЯ 2014

Новочеркасск - 2014

005549202

005549202

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рыжиков Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Анцев Виталий Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные машины и оборудование»;

Чернова Наталья Михайловна,

доктор технических наук, Балаковский институт техники, технологий и управления федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заместитель директора по научно-исследовательской работе. Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Защита диссертации состоится «03» июля 2014г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.304.04, созданного на базе Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова по адресу 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮРГПУ(НПИ) http://www.npi-tu.ru/index.рЬр?1с!=2778.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Грузоподъемные машины нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства. При выполнении погрузочно-разгрузочных работ на строительных площадках, а также при перегрузке сыпучих грузов, используются козловые краны и мостовые перегружатели с большим пролетом, имеющие раздельный привод ходовых колес. От их надежной работы зависит обеспечение нормального технологического процесса на предприятии.

При торможении кранов в механизме передвижения срабатывают тормоза, выполненные в виде колодок, взаимодействующие с тормозными шкивами. Краны с большим пролетом имеют индивидуальный привод, установленный на каждой стороне моста (для мостовых кранов) или на опорах (для козловых кранов).

Из-за неодинаковых усилий затяжки тормозной пружины, неравномерного износа тормозных колодок и наличия загрязняющих веществ сила прижатия колодок к шкиву является непостоянной и изменяется в широких пределах. Вследствие этого возникают разные тормозные моменты на приводных колесах крана. Это приводит к заносу одной из сторон крана, распору приводных колес при упоре реборд в подкрановый рельс и перекосу всей металлоконструкции. Резкое торможение приводит к появлению дополнительных динамических нагрузок, которые передаются на металлоконструкцию, что снижает надежность крана в работе.

Актуальной является задача разработки системы торможения крана, способной обеспечить равенство тормозных усилий на ходовых колесах. Работа выполняется в соответствии с научным направлением ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехнических систем и комплексов», а также г/б темой П 53-855 «Теория расчета динамических усилий и метод демпфирования колебаний в подъемных канатах для глубоких шахт».

Цель работы - разработка структуры и силовых параметров дифференциальной системы торможения механизма передвижения крана пролетного типа, обеспечивающей повышение надежности крановой металлоконструкции за счет снижения в ней динамических нагрузок путем выравнивая тормозных моментов на ходовых колесах.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие

задачи:

1. Провести анализ конструкций существующих тормозов механизма передвижения кранов пролетного типа на рельсовом ходу.

2. Разработать методику расчета нагрузок в металлоконструкции крана в зависимости от тормозных усилий, эксплуатационных факторов и геометрических параметров крана.

3. Провести математическое моделирование влияния неравномерности тормозных усилий на напряженное состояние металлоконструкции с целью определения рациональных режимов торможения.

4. Разработать дифференциальную систему торможения большепролетных кранов с индивидуальным приводом рабочих колес, обеспечивающую равенство тормозных усилий, и математическую модель механизма передвижения крана, оборудованного такой системой.

5. Провести исследование математической модели и разработать методику расчета основных параметров системы торможения.

6. Разработать экспериментальную установку дифференциальной системы торможения крана и провести лабораторные и промышленные испытания.

Основная идея работы. Создание тормозных устройств механизма передвижения крана, использующих принцип взаимодействия и перераспределения энергии в системе между исполнительными элементами тормозного устройства для обеспечения равенства тормозных моментов на ходовых колесах.

Методы исследования. При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включающий анализ современных конструкций тормозных устройств грузоподъемных машин, исследования влияния неравномерности тормозных усилий на напряженное состояние металлоконструкции, разработку системы торможения большепролетных кранов и ее исследование с применением ЭВМ, а также экспериментальные исследования в лабораторных и в промышленных условиях.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением современных апробированных методов исследования, численным анализом полученных результатов с использованием ЭВМ и программных продуктов для выполнения расчетов и обработки результатов экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Закономерности изменения напряжений в металлоконструкции крана в зависимости от неравномерности тормозных усилий на ходовых колесах, которые определяют уровень напряжений в элементах металлоконструкции, являющийся критерием эффективности работы тормозной системы.

2. Допускаемый уровень напряжений в металлоконструкции достигается применением разработанной структуры дифференциальных систем торможения, созданной на основе гидравлических или электрических машин вращательного действия, обеспечивающих равенство тормозных моментов на ходовых колесах.

3. Математическая модель механизма передвижения крана с дифференциальной системой торможения, позволяющая получить зависимости изменения параметров системы в переходных режимах работы и определять рациональные параметры системы.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Установлены закономерности изменения напряжения в металлоконструкции крана в зависимости от неравномерности тормозных усилий, полученные в результате применения разработанного метода расчета нагрузок напряженного состояния металлоконструкции, включающего в себя внешние силы, действующие на кран, и силы, возникающие при контакте реборд колеса с рельсом. Также учитывается влияние расположения грузовой тележки и конфигурация привода механизма передвижения крана. Полученная в результате компьютерного моделирования величина напряжения в элементах металлоконструкции является критерием эффективности работы тормозной системы.

2. Допускаемый уровень напряжений в металлоконструкции достигается применением разработанной структуры дифференциальных систем торможения, созданной на базе гидравлических или электрических машин вращательного действия и основанной на принципе формирования и взаимодействия потоков гидравлической или электрической энергии при стабилизации силовых параметров исполнительных элементов. Использование дифференциальных систем торможения предложенной структуры позволяет снизить напряжения в узлах металлоконструкции крана не менее чем на 27%.

3. Разработанная математическая модель механизма передвижения крана с дифференциальной системой торможения учитывает взаимодействие потоков гидравлической или электрической энергии при совместной работе исполнительных элементов, время нарастания тормозного усилия при использовании гидроаккумулятора и процесс формирования тормозного усилия предохранительным клапаном. Полученные зависимости изменения параметров тормозной системы в переходных режимах работы позволяют определить рациональные параметры дифференциальной тормозной системы, необходимые для ее практической реализации.

Практическая значимость работы заключается в разработке конструкции тормозного устройства, позволяющего обеспечить заданный тормозной момент, и методики расчета допускаемых нагрузок в металлоконструкции крана, позволяющей определить рациональные режимы торможения.

Реализация результатов работы. Опытный образец системы торможения механизма передвижения крана на основе электродвигателей переменного тока принят в производственную эксплуатацию на заводе ШРМЗ ОАО «Ростовшахтострой». Разработана техническая инструкция по эксплуатации системы торможения крана ККТ-5.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Естественнонаучные дисциплины» в 20112012 годах, кафедры «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» в 2013 году; на XIX Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2011); на Юбилейном XX Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2012); на Всероссийской научной конференции

«Перспективы развития Восточного Донбасса» (Шахты, 2011-2013); на VIII Международной научно-практической конференции «Дни науки» (Прага, 2012); на IX Международной научно-практической конференции «Современные достижения науки» (Прага, 2013); на IV Международной научно-практической конференции «Научные аспекты инновационных исследований» (Самара, 2013).

Публикации. По теме исследования опубликовано 9 работ, из них 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на полезную модель № 127842 «Колодочный тормоз».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 150 страниц, в том числе 52 рисунка и 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и цель диссертационной работы, поставлены задачи, приведена общая характеристика работы с формулировкой ее научной новизны и практической значимости.

В первой главе проведен аналитический обзор тормозных устройств, применяемых в настоящее время для торможения кранов. Рассмотрено влияние торможения на нагрузки в металлоконструкции кранов, состояние колес и подкрановых рельсов. Также проведен анализ влияния конструктивных и технологических факторов на величину усилия, создаваемого тормозом.

Металлические конструкции кранов испытывают воздействие от разнообразных нагрузок, как статических, так и динамических. Установлено, что наиболее существенное нагружение металлоконструкции крана обусловлено динамическими нагрузками, основными из которых являются нагрузки, возникающие в периоды пуска-торможения крана и при движении крана по неровностям кранового рельсового пути. Вопросами исследования торможения грузоподъемных машин занимались многие ученые: М.П. Александров, В.Ф. Гайдамака, М.М. Гохберг, Ф.К. Германчук, Т.С. Джигкаев, Н.И. Ивашков, С.А. Казак, А.П. Кобзев, Б.С. Ковальский, М.С. Комаров, Г.П. Ксюнин, H.A. Лобов, A.B. Мартынов, В.И. Остапенко, А.Б. Парницкий, П.З. Петухов, С.С. Смирнов, Д.Н. Спицына, Н.С. Ушаков, В.Н. Федосеев и др. Как показали их исследования, одним из наиболее опасных режимов работы грузоподъемных машин является режим торможения механизмов передвижения. Определяющее влияние на характер и величину динамических нагрузок при торможении кранов оказывают тормозные устройства.

Анализ конструкций тормозов и оценка их параметрической надежности показали, что многие конструкции тормозов, используемые в настоящее время, имеют определенные недостатки и не всегда способны обеспечить требуемый тормозной момент. Наиболее распространенные в настоящее время колодочные тормоза не могут обеспечить равенство тормозных моментов, что может привести

к образованию перекосов металлоконструкции крана, а их недостаточная надежность - к отказу тормоза и аварии.

Дополнительные нагрузки, возникающие при перекосе, приводят к повышению напряжений в узлах металлоконструкции, износу подкрановых колес и рельсов. Проведенный анализ работ показал, что основной причиной повышенного износа колес и рельсов является эксплуатационный и монтажный перекос крановых колес.

Таким образом, вопрос о снижении динамических нагрузок в металлоконструкции крана в период торможения путем улучшения конструкции и параметров крановых тормозов остается актуальным. Разработка системы торможения, способной обеспечить заданный тормозной момент, позволит повысить безопасность процесса торможения и снизить расходы на ремонт крана.

Во второй главе проведен анализ нагрузок, действующих на ходовую часть крана при торможении, и построена расчетная схема для их определения с использованием ЭВМ. Определены нагрузки в разных режимах торможения крана. Проведено исследование напряженного состояния металлоконструкции крана при торможении с перекосом. При этом рассматривалось влияние неравномерности тормозных моментов, сопротивления передвижению и геометрических параметров конструкции крана на нагрузки в металлоконструкции.

При исследовании напряженного состояния металлоконструкции крана учитывалось, что наибольшая неравномерность тормозных усилий возникает при расположении груза в крайних положения возле опор крановой балки. Расчет металлоконструкции проводился с учетом допускаемых напряжений на усталость. При расчете учитывалось действие:

- тормозных усилий Рт, создаваемых крановым тормозом;

- сил инерции \УВН, препятствующих торможению крана;

- статических сопротивлений передвижению крана \УС;

- ветровой нагрузки Рв;

- контактных сил Я, возникающих при перекосе;

- сил трения скольжения Ртро, возникающих при скольжении реборды колеса по рельсу.

С учетом всех сил, возникающих при торможении крана с перекосом, схема нагрузок примет вид, показанный на рис 1.

Для расчета напряженного состояния металлоконструкции крана была выбрана система автоматизированного расчета и проектирования АРМ \VinMachine. Имеющиеся в составе АРМ \VinMachine расчетные и графические инструменты позволяют проводить анализ напряженно-деформированного состояния трехмерных объектов любой сложности при произвольном закреплении, статическом или динамическом нагружении.

С целью определения допустимой неравномерности торможения, при которой напряжения в элементах металлоконструкции не превысят допускаемые, предварительно были определены наиболее неблагоприятные случаи нагружения металлоконструкции. Были рассмотрены следующие варианты:

- торможение крана без перекоса;

- торможение с перекосом крана с линейным расположением приводов;

- торможение с перекосом крана с диагональным расположением приводов.

\й/ы

4-

! У'^:/ ! ! I I

Ро

Рисунок 1 - Схема нагрузок, действующих на ходовую часть крана при перекосе

В результате моделирования на ЭВМ процесса торможения крана ККС-12,5-20 определены максимальные моменты, напряжения и перемещения в металлоконструкции крана для каждого варианта нагружения.

Установлено, что существенное повышение нагрузок в металлоконструкции происходит, если в процессе торможения крана возникает контакт реборды кранового колеса с рельсом. Повышенные нагрузки в плоскости х-2, перпендикулярной крановым рельсам, объясняются наличием контактных сил Я, величина которых превышает все остальные усилия.

Появление дополнительных нагрузок от перекоса вызывает повышенные напряжения в его элементах. В некоторых случаях эти напряжения могут превысить допускаемые, что может привести к снижению надежности грузоподъемных машин. Для повышения безопасности эксплуатации кранов важной является задача определения узла металлоконструкции, в котором возникают максимальные напряжения.

С целью определения наиболее нагруженного узла металлоконструкции при перекосе проведено моделирование процесса торможения козлового крана КК-12,5-32 в ситуации, когда одна сторона крана тормозится номинальным тормозным усилием, а тормозное усилие, возникающее в тормозе другой стороны крана, уменьшается в пределах 0-50 %.

Из-за неравномерности усилий, приложенных на разных сторонах крана, в ригеле возникает крутящий момент, который приводит к контакту реборд крановых колес и рельса:

где \УЛ, ]УВ - тормозные усилия на правой и левой стороне крана; / - расстояние между приводными колесами крана.

При жестком закреплении опор крана и ригеля силы, вызываемые перекосом, приводят к появлению в опорах изгибающих моментов величиной:

где £РК - сумма сил, приложенных в точке контакта колеса с рельсом; И - высота опоры.

Результаты расчётов напряжений в элементах металлоконструкции крана от действия изгибающих и крутящих моментов представлены на рис. 2. Максимальные изгибающие моменты, а, следовательно, и напряжения, возникают в местах закрепления опоры с ригелем.

Рисунок 2 - Распределение напряжений в металлоконструкции при перекосе

крана

Перекос крана вызывает дополнительные нагрузки в металлоконструкции крана, которые, превысив допускаемые напряжения 165 МПа, приводят к преждевременному выходу из строя крановой металлоконструкции. Были определены значения неравномерности тормозных усилий механизма передвижения крана, при которых напряжения, возникающие в наиболее нагруженных узлах металлоконструкции, не превысят допускаемые.

Рассмотрен процесс торможения с перекосом для кранов с линейным и диагональным расположением приводов. Более опасным для металлоконструкции является перекос колес крана с диагональным расположением приводов. Неравномерность тормозных моментов при таком перекосе не должна превышать 37,1%. Менее опасным является перекос крана с линейным расположением приводов, который допускает неравномерность тормозных моментов, не превышающую 39,8%. Торможение крана с перекосом может быть вызвано эксплуатационными факторами, такими как, неточность укладки подкрановых рельсов, различие в диаметрах поверхностей качения крановых колес, наличие местных уклонов и искривлений пути, загрязнение или «засаливание»

/

поверхности рельса и т.д. Все эти причины являются составляющими статического сопротивления передвижению. Неравномерность величины статического сопротивления передвижению при перекосе крана с диагональным приводом не должна превышать 15,4%, с линейным - 16,5%.

Также рассмотрено влияние геометрических характеристик крана на величину напряжения в металлоконструкции. Результаты моделирования представлены на рис. 3 и 4.

Неравномерность тормозных моментов

Рисунок 3 - Графики зависимости изменения напряжения в металлоконструкции крана от неравномерности тормозных усилий

350 зоо 250

I

■а 200

1 150

I

е- юо =

50

о

• д=о%

Д=10%

- Д=20%

-д=зо%

- Д=40%

20

Пролет крана, м

• Д=50°о

Допускаемое напряжение

Рисунок 4 - Графики зависимости изменения напряжения в металлоконструкции

от пролета крана

Установлено, что при увеличении длины пролета, разница между расположением приводов нивелируется. Если при значении В = 10,66 м и длине пролета Ь = 16 м разница неравномерности тормозных усилий, при которой напряжение в металлоконструкции превысит допускаемое, составляет 11%, то

при длине пролета Ь = 32 м всего 2,5%. Аналогичная ситуации и при базе В = 15,08 м: при Ь = 16м разница составляет 15,5%, при Ь = 32 м - 3,5%.

Увеличение пролета при прочих равных характеристиках снижает значение допустимой неравномерности более чем в 2 раза при линейном расположении приводов ив 1,65 раза - при диагональном. Увеличение базы крана при прочих равных характеристиках снижает значение допустимой неравномерности в кранах с линейным приводом не более чем в 1,08 раз, в кранах с диагональным - не более чем в 1,25 раз.

Таким образом, при выборе геометрических характеристик крана необходимо учитывать существенное увеличение напряжений в металлоконструкции крана при увеличении длины пролета, в то время как изменение базы крана мало сказывается на напряжении в металлоконструкции.

Третья глава посвящена разработке дифференциальной системы торможения крана, созданию математической модели крана с разработанной системой торможения и исследованию её с помощью ЭВМ.

В результате проведенного исследования напряженного состояния крана установлено, что напряжения в его металлоконструкции при торможении с перекосом в 1,5-2 раза превышают напряжения, возникающие при торможении без перекоса. Таким образом, необходимо создать систему торможения, способную обеспечить одинаковое тормозное усилие на обеих сторонах крана на протяжении всего процесса торможения, что позволит избежать перекоса металлоконструкции.

Решение поставленной задачи привело к созданию дифференциальных систем торможения, выполненных на базе электрических или гидравлических машин вращательного действия. Принцип действия этих устройств основан на взаимодействии и перераспределении энергии в системе регулирования между исполнительными элементами тормозного устройства, суммарная величина которого остается неизменной. Разработанные дифференциальные тормозные системы позволяют посредством регулирования величины тормозного момента на исполнительных органах, в зависимости от внешних воздействий, поддерживать равномерное тормозное усилие на всем протяжении процесса торможения.

Для создания одинакового тормозного усилия на ходовых колесах механизма передвижения крана с раздельным приводом разработана дифференциальная гидравлическая система торможения, представленная на рис. 5. Также была рассмотрена возможность использования механизма передвижения крана с гидроприводом в качестве системы торможения.

Дифференциальная электрическая система торможения механизма передвижения крана на основе двигателей переменного тока показана на рис. 6. В ее основе лежит работа последовательно соединенных асинхронных двигателей в режиме динамического торможения. Также возможно построение системы торможения на основе электрических машин (генераторов) постоянного тока.

/"Л

1- Двигатель; 2- Редуктор; 3- Ходовые колеса; 4- Мультипликтор; 5- Гидронасос; 6- Гидрораспределитель; 7- Дроссель; 8- Гидроаккумулятор; 9- Предохранительный клапан; 10- Педаль; 11- Регулируемый дроссель; 12- Фильтр; 13- Обратный клапан; 14- Маслобак

Рисунок 5 - Принципиальная схема дифференциальной гидравлической системы

торможения

Л/ Л2 ЛЗ

I I I

[][] []

Т1 [ЩЦ

ЕЛ 72

СУЭП

I I

Л

5

■СУЗЛ [][][]

71 ЕЗ

[д~1 72

Рисунок 6 - Принципиальная схема дифференциальной электрической системы торможения с двигателями переменного тока

Для дифференциальных тормозных систем основным уравнением, характеризующим энергетические и силовые соотношения, является уравнение баланса мощности:

**пЧо +МтПо =Я0, (1)

где N11, N111 - число исполнительных элементов в левой и правой ветви потока мощности; п, ш - число суммирующих контуров в каждой из двух ветвей потоков мощности.

Для дифференциальной гидравлической системы уравнение баланса мощности преобразуется в уравнение совместности работы гидронасосов:

(2)

где (2дР, СЬ Оу|, Ос* - соответственно расход дросселя, подача гидронасоса, расход утечек рабочей жидкости при сжатии. Тормозное усилие с учетом уравнения (2) определится по формуле:

2 п

--, (3)

Л^^С^+Суп+У/х)

где qr - объемная постоянная гидронасоса; оо; - частота вращения вала гидронасоса; Сдр - коэффициент расхода дросселя; Су1 - коэффициент утечек; V -объем рабочей жидкости в гидросистеме; % - коэффициент упругости гидросистемы; - радиус ходового колеса; т| - к.п.д. мультипликатора.

Для дифференциальной электрической системы торможения, основанной на генераторах постоянного тока, уравнение баланса мощности имеет вид:

п /=1 ы я п где Ын - мощность, рассеиваемая на нагрузке, - теоретическая мощность генератора; Ыя - потери мощности в якорях генераторов; 1\1П - потери мощности в приводах. С учетом уравнения (4) получим:

2 2" 9,55 С^Ф

1ГТ=-^-, (5)

где Сг - конструктивный коэффициент; Ф - величина магнитного потока; Я„ -сопротивление нагрузки; Яя - сопротивление якоря; Яп - сопротивление проводов.

При динамическом торможении асинхронных двигателей переменного тока двигатели превращаются в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости. Для расчета характеристик асинхронного двигателя при динамическом торможении режим синхронного генератора заменяется режимом асинхронного двигателя с питанием статора вместо постоянного тока /я равнозначным ему по м. д. с. трехфазным переменным

током 1же. Тормозное усилие для дифференциальной электрической системы торможения, основанной на асинхронных двигателях переменного тока, определится по формуле:

2 2 , 21ЭКВХМК 2 _

1УТ = -

/ , л 2 2

+ (х1+х'2)2

(6)

■*кЧ

где 1ЭИ> - эквивалентное значение переменного тока; Хц - реактивность намагничивания; Я'2 - приведенное значение сопротивления ротора; Х'2 -реактивность ротора; в - скольжение при динамическом торможении; со - угловая скорость вращения ротора.

Математическая модель козлового крана с установленной дифференциальной системой торможения получена на основе уравнений Лагранжа второго рода. Кран с дифференциальной системой торможения можно представить в виде шестимассовой системы. В качестве звена приведения принята масса крана. Приведенная расчетная схема крана показана на рис. 7.

X" *>

с Х- _

г

IV'* IV:

т1 ЛДА^

XI АЛЛл

тб тЗ

X: -АЛА-

т2

/п4

IV:

т5

№

Рисунок 7 - Приведенная расчетная схема крана

После дифференцирования система уравнений Лагранжа II рода в канонической форме имеет вид: т^х^ + с(х^ - Ху) = -\УТ

'т\-¥с\

х9 + с{х^ - ) = ~~ ^С2

2 2

т3х3 +ф3 -х1) + с(х3 -х2) + с(х3 -х4)-с(х3 -х5Н^Ц -*6) = 0

т4х4 +с(х3 ~х4) = -^сз

т5*5 + с(х3 ~~ х5 ^ = 4 тб^б+ся(хз"хб) = 0

(7)

Здесь xi, х2 - перемещение опор с приводными тележками; х3 -перемещение балки моста; х4, х5 - перемещение опор с ведомыми тележками; х6 -перемещение груза; ть ш2 - приведенные массы приводных ходовых тележек; ш3 - масса балки или моста; т4, т5 - приведенные массы ведомых ходовых тележек; ш6 - масса груза; с - жесткость опор; сп - жесткость подвеса груза.

Исследование математической модели козлового крана с дифференциальной гидравлической тормозной системой выполнено системой математических вычислений MathCAD 14.0 с привлечением функции odesolve, которая возвращает решение системы дифференциальных уравнений в блоке Given, при заданных начальных и граничных условиях.

Для крана КК-12,5-32 было проведено исследование переходных процессов в системе. В качестве начальных условий заданы:

t = 0; Uj = L>2 = и3 = L>4 = L>5 = L>6 = uK; a^ = a2 = £?3 = a4 = a^ = a^ = 0.

Как показали исследования, использование разработанной системы торможения позволяет получить равные тормозные моменты на ходовых колесах крана (рис. 8). При этом обеспечивается равенство скоростей и перемещений тележек крановых опор, что исключает образование перекоса. Даже при расположении груза в крайнем левом положении, вызывающим разность сопротивлений передвижению, разница между перемещениями правой и левой ходовых тележек не превышает 2% (рис. 9а). При использовании колодочных тормозов разница перемещений ходовых тележек превышает 10% (рис. 96), что приводит к контакту крановых колес с рельсом и делает возможным перекос металлоконструкции.

При экстренном торможении величина давления в системе задается предохранительным клапаном, настроенным на максимальное тормозное усилие. Максимальное тормозное усилие должно быть рассчитано таким образом, чтобы не превысить допускаемого ускорения, установленного правилами Ростехнадзора. Исследования математической модели крана с разработанной гидравлической системой торможения показали, что использование гидроаккумулятора позволяет снизить величину ускорения крана без существенно изменения времени торможения (рис. 10, 11). Проведенная проверка с использованием представленной ранее методики расчета нагрузок в элементах металлоконструкции крана не показала превышения допускаемого уровня напряжений в опорах.

По результатам моделирования разработана методика инженерного расчета основных параметров систем торможения, позволяющая осуществить выбор оборудования для создания дифференциальной гидравлической или электрической системы торможения.

« ИЩи) Ё? р,2<и>

Время торможения, с

Рисунок 8 - График изменения тормозных усилий, создаваемых разработанной

системой торможения

рИи) рЗД

У/ /

/ / / / / / / / /

Время торможения, с вРемя торможения, с

(а. ,6)

Рисунок 9 - Графики изменения перемещения опор ходовых тележек крана КК-12,5-32 (а - оборудованного разработанной системой торможения, б -оборудованного колодочными тормозами)

Время торможения, с

Рисунок 10 - Графики изменения скорости крановых опор в зависимости от параметров гидроаккумулятора при экстренном торможении

и

о

"зв

о § -0.1

X

3 О а1(и) ее ---

си и

о_ о

о >-» г ».,.=2

- 0.2 tH.l-.-l

О 12 3

Время торможения, с

Рисунок 11 - Графики изменения ускорения крановых опор в зависимости от параметров гидроаккумулятора при экстренном торможении

В четвертой главе представлена методика и программа проведения экспериментальных исследований дифференциальной системы торможения, описано устройство экспериментальной установки и приведены результаты экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований являлась проверка достоверности теоретических исследований и определение эффективности работы системы торможения крана в лабораторных и промышленных условиях.

Для проведения экспериментальных лабораторных исследований был разработан и изготовлен экспериментальный образец тормозной системы крана, установленный на модели башенного крана с индивидуальным приводом рабочих колес на рельсовом ходу ТР-БК-403А. Для подключения гидронасосов к механизму передвижения крана использовались переходные валы. Оборудование устанавливалось на раме, закрепленной под противовесом крана (рис. 12).

На раме устанавливался маслобак, гидравлически соединенный с гидронасосами БГ 12-41. В свою очередь гидронасосы с помощью переходных валов кинематически связывались через мультипликатор с ходовыми колесами. К гидронасосам через гидрораспределитель ПИ-2-320УХЛ4 подключался гидродроссель ПГ 55-22 с регулируемым проходным сечением клапана. Для контроля давления в системе в гидролинию дросселя последовательно подключался датчик давления ПД100-ДИ2,5-1,0.И.11 и манометр МПЗ-У. Для записи осциллограмм переходных процессов датчик давления электрически

Рисунок 12 - Модельная установка дифференциальной гидравлической системы

торможения

При проведении испытаний моделировались следующие условия эксплуатации крана:

- экстренное торможение;

- движение крана под уклон с постоянной скоростью.

Для моделирования процесса экстренного торможения кран сначала разгоняли до скорости 1 м/с. Для этого рукоятка гидрораспределителя переводилась в положение «1» и напорные магистрали гидронасосов замыкались на маслобак. Для начала торможения рукоятка гидрораспределителя переводилась в положение «2», подключая систему торможения. Для моделирования движения крана под уклон с постоянной скоростью кран двигался с активированной системой торможения на всем протяжении пути.

Изменение расстояния между ребордами и рельсами в процессе торможения не превышало 1-2 мм с гарантированным зазором в пределах 3-5 мм. Расстояния, пройденные колесами на разных сторонах крана при торможении, были равны. Экспериментальные исследования дифференциальной гидравлической тормозной системы крана показали ее способность обеспечить торможение и полную остановку механизма передвижения крана. В результате проведенных экспериментальных исследований получены осциллограммы переходных процессов в системе при разных режимах работы.

Графики переходных процессов при моделировании процесса экстренного торможения и процесса движения под уклон с постоянной скоростью показаны на рис. 13.

Мг.Н-мР.МПо Мг.НмР.МПп

А / А

/1 А

/ " !

/ /

/ /

/ 1 1

/ \

/ \

/ \ \

\ 1

О 0.2 0.1 0.6

10 1.2 и 16

Т.с

(а) (б)

Рисунок 13 - Графики изменения давления в системе (а - экстренное торможение; б - движение под уклон с постоянной скоростью)

Для оценки процессов, проходящих в системе, и сравнения результатов экспериментальных исследований с результатами математического моделирования были введены критерии и индикаторы подобия.

Для подтверждения результатов теоретических исследований дифференциальной системы торможения был построен сравнительный график изменения тормозного усилия в модели и в экспериментальной установке (рис. 14). Сравнительный график показал, что результаты математического моделирования согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Для проведения производственных испытаний была разработана, изготовлена и внедрена на заводе ШРМЗ ОАО «Ростовшахтострой» дифференциальная электрическая система торможения, установленная на козловой кран ККТ-5.

Время торможения, с

Рисунок 14 - График изменения тормозного усилия в системе при торможении (а - в математической модели; б - в экспериментальной установке)

В результате производственных испытаний была подтверждена работоспособность электрической системы динамического торможения. Система позволила обеспечить торможение крана без перекоса, обеспечивая равный тормозной момент на ходовых колесах. Опытный образец дифференциальной электрической системы динамического торможения был принят в производственную эксплуатацию.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В диссертации решена научно-практическая задача по разработке структуры и силовых параметров дифференциальной системы торможения механизма передвижения крана пролетного типа, обеспечивающей равенство тормозных моментов на ходовых колесах. Результаты решения этой задачи представлены в следующих выводах:

1. На основании анализа состояния вопроса торможения кранов установлено, что существующие крановые тормоза в силу своих физических и конструктивных особенностей не способны обеспечить равный тормозной момент на ходовых колесах, что ведет к перекосу металлоконструкции крана, снижению ее надежности и износу крановых колес и рельсов. Таким образом, необходимо разработать новое тормозное устройство со стабильными параметрами исполнительного элемента, способное обеспечить равные тормозные моменты на ходовых колесах и исключить образование перекоса крана.

2. В результате проведенного исследования напряженного состояния металлоконструкции установлено, что максимальные напряжения в металлоконструкции возникают при торможении с перекосом в местах закрепления опор крана с ригелем. Установлена неравномерность тормозных моментов при перекосе, при которой напряжения в элементах металлоконструкции крана не превышают допустимых значений. Для кранов с диагональным расположением приводов она не должна превышать 37,1%, для кранов с линейным расположением приводов - 39,8%. Моделирование процесса торможения крана с перекосом показало, что увеличение пролета снижает значение допустимой неравномерности более чем в 2 раза при линейном расположении приводов ив 1,65 раза - при диагональном. Увеличение базы крана снижает значение допустимой неравномерности в кранах с линейным приводом не более чем в 1,08 раз, в кранах с диагональным - не более чем в 1,25 раз.

3. Разработана структура дифференциальных тормозных систем на основе гидравлических или электрических машин вращательного действия, обеспечивающая равенство тормозных моментов на ходовых колесах. Принцип работы систем торможения заключается в формировании и взаимодействии потоков гидравлической или электрической энергии при стабилизации силовых параметров исполнительных элементов.

4. На основе обобщенной расчетной схемы разработана система дифференциальных уравнений Лагранжа второго рода, позволяющая математически моделировать работу дифференциальной тормозной системы, выполненной на базе гидравлических или электрических машин. Проведены исследования математической модели в системе МаЛСАО, в результате которых получены зависимости изменения параметров системы в переходных режимах работы. При использовании дифференциальной системы торможения разница между перемещениями правой и левой ходовых тележек при расположении груза в крайнем положении не превышает 2%. Разработанная методика расчета основных параметров системы торможения крана на основе результатов

математического моделирования позволяет выбрать оборудование для создания дифференциальных тормозных систем.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований доказана работоспособность предложенных дифференциальных гидравлических и электрических тормозных систем. Изменение расстояния между ребордами и рельсами в процессе торможения не превышало 1-2 мм с гарантированным зазором в пределах 3-5 мм. Расстояния, пройденные колесами на разных сторонах крана при торможении, равны. Полученные осциллограммы изменения тормозного усилия в гидросистеме показали сходимость экспериментальных данных с теоретическими положениями.

6. Разработана конструкция тормозного устройства с дифференциальной системой торможения крана ККТ-5, основанная на использовании асинхронных двигателей переменного тока. В ходе промышленных испытаний установлено, что изменение расстояния между ребордами и рельсами в процессе торможения с использованием предложенной системы не превышают 5-7 мм с гарантированным зазором 15-25 мм. Испытания дифференциальной системы показали отсутствие контакта реборд колес с рельсом в процессе торможения, что исключает возможность образования повышенных напряжений металлоконструкции крана из-за перекоса и ведет к повышению её надежности. Опытный образец дифференциальной электрической системы торможения был принят в производственную эксплуатацию на заводе ШРМЗ ОАО «Ростовшахтострой».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные издания из перечня ВАК РФ

1. Стрельцов, C.B. Гидравлическая система торможения механизма передвижения мостового перегружателя с индивидуальным приводом рабочих колес / Горное оборудование и электромеханика №10. М.: «Новые технологии», 2012.-С. 24-26.

2. Стрельцов, C.B. Влияние процесса торможения на напряженное состояние металлоконструкции козлового крана / C.B. Стрельцов, В.А. Рыжиков, П.В.Харламов // Современные проблемы науки и образования №6, 2013 [Электронный ресурс]. - URL: www.science-education.ru/l 13-11066

Патенты и полезные модели

3. Стрельцов, C.B. Колодочный тормоз / В.А. Рыжиков, C.B. Стрельцов, С.И. Куляшов // Пат. RU № 127842 Рос. Фед. - № 2012148944/11. - заявл. 16.11.2012; опубл. 10.05.2013. Бюл. № 13.

Работы, опубликованные в международных сборниках

4. Стрельцов, C.B. Гидравлическая система комбинированного торможения козлового крана / Материалы VIII международной научно-практической конференции «Дни науки - 2012». Технические науки. - Прага: Education and Science, 2012. - С. 27-29.

5. Стрельцов, C.B. Результаты экспериментальных исследований гидравлической системы торможения крана с раздельным приводом / Материалы IX международной научно-практической конференции «Современные достижения науки - 2013». Технические науки. - Прага: Education and Science, 2013.-С. 63-67.

6. Стрельцов, C.B. Влияние геометрических характеристик крана на напряженное состояние его металлоконструкции при торможении / Научные аспекты инновационных исследований: материалы IV Международной научно-практической конференции. - Самара: Изд-во ООО «Аспект», 2013. - 132 с.

Работы, опубликованные в региональных сборниках

7. Стрельцов, C.B. Гидравлическая система торможения механизма передвижения крана / C.B. Стрельцов, В.А. Рыжиков // Перспективы развития Восточного Донбасса. 4.1: сб. науч. тр. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. -С. 86-89

8. Стрельцов, C.B. Экспериментальные исследования системы дифференциального торможения механизма передвижения крана / В.А. Рыжиков, C.B. Стрельцов // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр.— Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 99-103.

9. Стрельцов, C.B. Снижение негативного влияния перекосов на состояние ходовой части крана / C.B. Стрельцов, В.А. Рыжиков // Научный аспект № 4-2012. - Самара: Изд-во ООО «Аспект», 2012. - Т.2. - С. 291-293.

10. Стрельцов, C.B. Влияние режимов торможения крана на динамические нагрузки в его элементах / C.B. Стрельцов, В.А. Короткова // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр.- Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2013. - С. 110-113.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах:

В работе [2] автору принадлежит моделирование процесса торможения крана ККС-12,5-32 и установление зависимостей между неравномерностью тормозных моментов на колесах крана и напряжениями в узлах металлоконструкции. В работе [3] автору принадлежит анализ существующих тормозных устройств и разработка гидрокинематической схемы устройства колодочного тормоза, обеспечивающего одинаковый тормозной момент на прижимных колодках. В работе [7] автору принадлежит разработка методики определения рациональных параметров дифференциальной гидравлической системы торможения. В работе [8] автору принадлежит непосредственное участие в создании экспериментальной установки дифференциальной гидравлической системы торможения и анализ результатов эксперимента. В работе [9] автору принадлежит разработка и описание принципиальной схемы дифференциальной системы торможения, обеспечивающей торможение крана без перекоса металлоконструкции. В работе [10] автору принадлежит разработка методики расчета нагрузок напряженного состояния металлоконструкции крана.

Подписано в печать 08.05.2014. Формат 60X90/16. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Ц/Т «Грунт-Арт» (ИП Ковалинская В.Е.) 346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 153 «б», т. (8636) 23-65-78

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова»

04201460106

На правах рукописи

Стрельцов Сергей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТОРМОЖЕНИЯ КРАНА ПРОЛЕТНОГО ТИПА НА РЕЛЬСОВОМ ХОДУ

Специальность 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные

машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.А. Рыжиков

Новочеркасск, 2014 г.

Г'

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................................8

1.1. Влияние эксплуатационных факторов работы тормозов механизма передвижения на динамические нагрузки в металлоконструкции крана..............................................................8

1.2. Влияние торможения крана на состояние колес и подкранового пути............................................................................12

1.3. Анализ конструкций тормозов механизма передвижения

крана...................................................................................................15

1.4. Влияние конструктивных и технологических факторов

на величину тормозного усилия, действующего на кран.............33

1.5. Выводы и постановка задач исследования......................................40

2. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТОРМОЖЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ КРАНА...........................42

2.1. Основные задачи исследования........................................................42

2.2. Расчетная схема нагрузок..................................................................43

2.3. Определение нагрузок в металлоконструкции крана

при торможении................................................................................46

2.4. Исследование напряженного состояния металлоконструкции крана при торможении с перекосом................................................55

2.4.1. Определение максимально нагруженного узла металлоконструкции.....................................................................55

2.4.2. Влияние неравномерности тормозных усилий на

нагрузки в металлоконструкции крана при торможении.........57

2.4.3. Влияние эксплуатационных факторов на

нагрузки в металлоконструкции крана при торможении.........59

2.4.4. Влияние геометрических характеристик крана на

нагрузки в металлоконструкции крана при торможении.........60

2.5 Выводы по главе..................................................................................64

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТОРМОЖЕНИЯ КРАНА....................................................66

3.1. Постановка задачи.............................................................................66

3.2. Разработка системы торможения крана...........................................67

3.3. Принятые ограничения и допущения..............................................76

3.4. Расчет основных параметров тормозной системы.........................77

3.5. Математическая модель тормозной системы..................................88

3.6. Моделирование переходных процессов системы торможения крана на ЭВМ....................................................................................94

3.7. Выводы по главе.................................................................................112

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ

ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ КРАНА........................................................113

4.1. Основные задачи экспериментальных исследований....................113

4.2 Выбор критериев подобия..................................................................114

4.3. Модельная установка.........................................................................118

4.4. Методика проведения испытаний....................................................123

4.5. Результаты экспериментальных исследований..............................126

4.6. Результаты производственных испытаний системы торможения крана.....................................................................................132

4.7. Выводы по главе.................................................................................138

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ....................................................................................139

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................................142

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

Основным перегрузочным оборудованием предприятий промышленности в настоящее время являются мостовые и козловые краны. От их надежной работы зависит обеспечение нормального технологического процесса на предприятии. Работа посвящена решению актуальной задачи повышения надежности и безопасной эксплуатации кранов. Особую роль в этом играет повышение надежности тормозных устройств.

При торможении кранов в механизме передвижения срабатывают тормоза, выполненные в виде колодок, взаимодействующие с тормозными шкивами. Краны с большим пролетом имеют индивидуальный привод, установленный на каждой стороне моста для мостовых кранов и на опорах - для козловых кранов.

Из-за наличия ряда факторов, таких как неодинаковые усилия затяжки тормозной пружины, неравномерный износ тормозных колодок, наличие загрязняющих веществ сила трения является непостоянной и изменяется в широких пределах. Вследствие этого возникает различный тормозной момент на приводных колесах крана. Это приводит к заносу одной из сторон крана, распору приводных колес при упоре реборд в подкрановый рельс и перекосу всей металлоконструкции.

Резкое торможение приводит к появлению дополнительных нагрузок, которые передаются на металлоконструкцию, что снижает надежность крана в работе.

В связи с вышесказанным актуальными являются задачи исследования влияния разности тормозных моментов на динамические нагрузки в металлоконструкции. Кроме того, необходимой является задача разработки нового тормозного устройства, способного обеспечить равенство тормозных моментов на обеих сторонах крана.

Работа выполнена на кафедре «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного политехнического университета (Новочеркасского

к

политехнического института) им. М.И. Платова в соответствии с научным направлением кафедры «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка структуры и силовых параметров дифференциальной системы торможения механизма передвижения крана пролетного типа, обеспечивающей повышение надежности крановой металлоконструкции за счет снижения в ней динамических нагрузок путем выравнивая тормозных моментов на ходовых колесах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включающий анализ современных конструкций тормозных устройств грузоподъемных машин, исследования влияния неравномерности тормозных усилий на напряженное состояние металлоконструкции, разработку системы торможения большепролетных кранов и ее исследование с применением ЭВМ, а также экспериментальные исследования в лабораторных и в промышленных условиях.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Закономерности изменения напряжений в металлоконструкции крана в зависимости от неравномерности тормозных усилий на ходовых колесах, которые определяют уровень напряжений в элементах металлоконструкции, являющийся критерием эффективности работы тормозной системы.

2. Допускаемый уровень напряжений в металлоконструкции достигается применением разработанной структуры дифференциальных систем торможения, созданной на основе гидравлических или электрических машин вращательного действия, обеспечивающих равенство тормозных моментов на ходовых колесах.

3. Математическая модель механизма передвижения крана с дифференциальной системой торможения, позволяющая получить зависимости изменения параметров системы в переходных режимах работы и определять рациональные параметры системы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Установлены закономерности изменения напряжения в металлоконструкции крана в зависимости от неравномерности тормозных усилий, полученные в результате применения разработанного метода расчета нагрузок напряженного состояния металлоконструкции, включающего в себя внешние силы, действующие на кран и силы, возникающие при контакте реборд колеса с рельсом. Также учитывается влияние расположения грузовой тележки и конфигурация привода механизма передвижения крана. Полученная в результате компьютерного моделирования величина напряжения в элементах металлоконструкции является критерием эффективности работы тормозной системы.

2. Допускаемый уровень напряжений в металлоконструкции достигается применением разработанной структуры дифференциальных систем торможения, созданных на базе гидравлических или электрических машин вращательного действия, основанных на принципе формирования и взаимодействия потоков гидравлической или электрической энергии при стабилизации силовых параметров исполнительных элементов. Использование дифференциальных систем торможения предложенной структуры позволяет снизить напряжения в узлах металлоконструкции крана не менее чем на 27%.

3. Разработанная математическая модель механизма передвижения крана с дифференциальной системой торможения учитывает взаимодействие потоков гидравлической и электрической энергии при совместной работе исполнительных элементов, время нарастания тормозного усилия при использовании гидроаккумулятора и процесс формирования тормозного усилия предохранительным клапаном. Полученные зависимости изменения параметров тормозной системы в переходных режимах работы позволяют определить рациональные параметры дифференциальной тормозной системы, необходимые для ее практической реализации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в разработке конструкции тормозного устройства, позволяющего обеспечить заданный тормозной момент, и методики расчета нагрузок в металлоконструкции крана, позволяющей определить рациональные режимы торможения.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Опытный образец электрической системы торможения механизма передвижения крана на основе электродвигателей переменного тока принят в производственную эксплуатацию на заводе ШРМЗ ОАО «Ростовшахтострой». Разработана техническая инструкция по эксплуатации системы торможения крана ККТ-5.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Естественнонаучные дисциплины» в 20112012 годах, кафедры «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» в 2013 году; на XIX Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2011); на Юбилейном XX Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2012); на Всероссийской научной конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Шахты, 2011-2013); на VIII Международной научно-практической конференции «Дни науки» (Прага, 2012); на IX Международной научно-практической конференции «Современные достижения науки» (Прага, 2013); на IV Международной научно-практической конференции «Научные аспекты инновационных исследований» (Самара, 2013).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы изложены в 9 печатных трудах. Получен патент на полезную модель № 127842 «Колодочный тормоз».

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Влияние эксплуатационных факторов работы тормозов механизма передвижения на динамические нагрузки в металлоконструкции крана

Металлические конструкции кранов испытывают воздействие от разнообразных нагрузок, как статических, так и динамических. К статическим относятся нагрузки от массы металлоконструкции, грузовой тележки и поднимаемого груза. Существенное нагружение металлоконструкций кранов обусловлено динамическими нагрузками. Из всех кранов на рельсовом ходу наибольший уровень динамического нагружения имеют краны мостового типа, имеющие большие скорости передвижения или большие размеры пролетного строения и значительные массы крановых металлоконструкций.

При работе механизма передвижения мостового крана на его силовые элементы действуют нагрузки, обусловленные взаимодействием механизма, привода, металлоконструкции и зависящие как от положения грузовой тележки в пролете и веса поднятого груза, так и от конструктивных параметров самого крана. Как известно, динамические нагрузки мостовых кранов возникают в следующих случаях [1,2,3]:

1) при разгоне и торможении крана;

2) при перекосе крана в горизонтальной плоскости относительно подкрановых путей, когда происходит ударное нагружение металлоконструкции моста вследствие взаимодействия реборд ходовых колес с подкрановыми путями;

3) при установившемся движении крана, когда его колеса проходят через неровные стыки рельсов;

4) при разгоне и торможении грузовой тележки;

5) при наезде крана на упоры.

В литературе [4] указано, что основными из них являются динамические нагрузки, возникающие в периоды пуска и торможения крана и при движении крана по неровностям кранового рельсового пути. Пуско-тормозные режимы кранов сопровождаются большими динамическими нагрузками на механизмы и металлоконструкцию, интенсивным раскачиванием груза, что отрицательно сказывается на долговечности и производительности грузоподъемных машин, вызывает неприятные физиологические ощущения у машинистов.

Вопросами исследования динамики грузоподъемных машин занимались многие ученые: В.Ф.Гайдамака [5], М.М.Гохберг [1,6 и др.], Т.С.Джигкаев [7], С.А.Казак[8], Б.С.Ковальский [9], М.С.Комаров [10], Н.А.Лобов [11 и др.], С.С.Смирнов [12], Д.Н. Спицына [13], Абдель-Рахман [14], А. Халид [15], и др. Как показали их исследования, одним из наиболее опасных режимов работы грузоподъемных машин является режим торможения механизмов передвижения. Если плавность пусковых моментов может обеспечиваться электрическими системами ступенчатого регулирования скорости, то тормозные процессы, как правило, протекают ударно. При торможении механизмов передвижения мостовых кранов отношение наибольшей динамической нагрузки к нагрузке статических сопротивлений может достигать значений 9-17 [5].

Определяющее влияние на характер и величину динамических нагрузок при торможении кранов оказывают тормозные устройства. Процесс торможения подавляющего большинства кранов осуществляется с помощью автоматически действующих электрогидравлических или электромагнитных колодочных тормозов. Замыкание таких тормозов, особенно электромагнитных, сопровождается резким наложением колодок на шкив, а, как показали исследования, проведенные Д.П.Волковым [16], удар тормозных колодок о шкив приводит к кратковременному, но существенному возрастанию динамических нагрузок.

Исследования Н.А.Лобова [17] показали, что при торможении механизма передвижения крана первый пик динамических нагрузок в металлоконструкции,

который близок к максимуму (и иногда им и является), возникает в момент замыкания колодок тормоза. Согласно нормативам, максимальные значения горизонтальных инерционных нагрузок на металлоконструкции мостовых кранов не превышают 1/10 от вертикальных нагрузок. Однако, как показали многочисленные исследования, эти нагрузки при торможении механизмов передвижения, оснащенных автоматически действующими тормозами, могут быть значительно больше [18,19], что нередко приводит к поломкам механизмов и авариям.

В работе [20] указывается, что на величину динамических нагрузок при торможении механизма передвижения большое влияние оказывает начальная тормозная сила. В работе Ф.Зедльмайера [21], на примере торможения механизма передвижения мостового крана тормозами с электромагнитным и электрогидравлическим толкателями показано, как, даже при незначительном повышении плавности торможения, сильно снижаются динамические нагрузки на металлоконструкцию.

Свои особенности имеет торможение большепролетных козловых кранов. Поскольку в таких кранах применяется индивидуальный привод, причем приводы закреплены на разных опорных балках и связаны между собой лишь крановой металлоконструкцией. Когда на одну из опорных балок действует нагрузка меньше, чем на другую, происходит рассинхронизация работы двигателей и одна сторона крана начинает забегать относительно другой.

Исследование механизмов передвижения с индивидуальным приводом [22] показывает, что при превышении отношения пролета к базе крана Ь/В>6 повышается упругая деформация металлоконструкции крана и в ней возникают повышенные напряжения.

Современные тенденции развития грузоподъемных машин обусловлены необходимостью повышения производительности погрузочно-разгрузочных работ. Одним из путей повышения производительности является увеличение рабочих скоростей. Однако все попытки добиться повышения

производительности только этим путем оканчивались снижением средней производительности работы крана по следующим причинам [23]:

• увеличивалось время на точную остановку и на успокоение груза;