автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Повышение безопасности эксплуатации стреловых кранов на основе регистрации и анализа их рабочих параметров

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТЖА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Аварийность и производственный травматизм на грузоподъёмных кранах Российской Федерации в период 1991-2000 гг.

1.2. Состояние парка стреловых кранов, системы технического контроля и технического обслуживания в России.

1.3. Современное состояние техники регистрации параметров работы кранов.

1.4. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ РЕГИСТРАТОРА ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ КРАНОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫРАБОТКИ ИХ РЕСУРСА ПО ОБЪЁМУ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ.

2.1. Разработка алгоритма оценки назначенного (нормативного) ресурса грузоподъёмного крана в целом и его наработки.

2.2. Определение суммарного значения характеристического числа для кранов, находящихся в эксплуатации.

2.3. Оценка наработки механизмов грузоподъёмных кранов.

2.4. Методика определения моментов времени проведения регламентных работ.

2.5. Общие технические требования к конструкции регистраторов параметров работы стреловых кранов, встроенных в ограничитель грузоподъёмности.

2.5.1. Краткая характеристика объекта.

2.5.2. Терминология.

2.5.3. Технические требования.

ГЛАВА 3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВСТРОЕННЫХ В

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ГРУЗОПОДЪЁМНОСТИ РЕГИСТРАТОРОВ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СТРЕЛОВЫХ КРАНОВ.

3.1. Математическая модель гидравлического стрелового крана. Основные функциональные зависимости.

3.1.1. Назначение и область применения.

3.1.2. Описание модели стрелового гидравлического крана и получение расчётных зависимостей.

3.2. Методика расчета параметров стреловых кранов.

3.2.1. Алгоритм определения неизвестных коэффициентов модели и поправок.

3.2.2. Расчёт таблиц рабочих программ ограничителя грузоподъёмности со встроенным РПРК.

3.2.3. Программа «Ршуес! Тар» для формирования файла таблиц программирования ограничителя грузоподъёмности.

3.3. Структурная схема и принцип действия ограничителя грузоподъёмности стрелового крана со встроенным РПРК.

3.3.1. Описание и работа ограничителя грузоподъёмности ОНК-140-ХХ-М.

3.3.2. Описание и работа составных частей изделия.,.

3.3.3. Регистратор параметров работы крана.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВСТРОЕННЫХ

РЕГИСТРАТОРОВ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СТРЕЛОВЫХ КРАНОВ.НО

4.1. Монтаж и пусконаладочные работы РПРК на кране.

4.1.1. Адаптация ограничителя грузоподъёмности со встроенным РПРК на кране.ПО

4.1.2. Юстировочные и регулировочные процедуры наОНК-140-ХХ-М.

4.2. Методика считывания показаний.

4.2.1. Требования к конфигурации персонального компьютера.

4.2.2. Порядок считывания информации.

4.2.3. Считывание информации с САИ-1 в персональный компьютер.

4.3. Анализ информации, получаемой с помощью РПРК.

4.3.1. Окно "Просмотр ресурса и координатной защиты".

4.3.2. Окно "Просмотр хронологии последних часов работы крана".

4.3.3. Справочная информация (Расшифровка кодов).

4.3.4. Исследование аварийных ситуаций с помощью БТП ОНК-140.

4.4. Модификации ОНК-140.

В современных условиях эксплуатации грузоподъёмных кранов возникает необходимость точного определения наступления тех моментов времени, когда должны проводиться те или иные процедуры технического контроля (технические освидетельствования и обследования) и обслуживания. При исчерпании нормативного срока службы должно проводиться определение остаточного ресурса металлической конструкции с тем, чтобы решить вопрос о продлении срока службы крана.

В настоящее время в качестве нормативного принимают календарный срок службы, приведенный в паспорте крана. Однако, данная характеристика ресурса является условной, назначаемой практически произвольно и её трактовка как нормативный ресурс неправомерна, поскольку срок службы в расчётах прочности (надёжности) конструкции крана не учитывается.

Приводимые в паспортах показатели ресурса могут вступать между собой в противоречия, создавая опасные прецеденты в эксплуатации. Например, известны случаи, когда краны использовались так интенсивно, что достигали предельного состояния и становились ненадежными задолго до исчерпания срока службы, указанного в паспорте.

До последнего времени единственным прибором, с помощью которого контролировали наработку крана, являлся счетчик моточасов , который, как известно, считает часы, когда включено питание механизмов крановой установки, а не время работы самих механизмов. Его показания так или иначе сравнивали со значением срока службы крана, указываемым в его паспорте. Несмотря на простоту и надежность применяемого прибора, он не удовлетворяет требованиям практики, поскольку его показания выдаются в единицах времени (моточасах), а наработка крана и долговечность его металлической конструкции оцениваются согласно международного стандарта ИСО 4301/1-85 и ГОСТ 25546-82 на основании задаваемых числа циклов работы крана (подъёмов грузов) и среднего кубического значения относительной массы поднимаемых грузов в каждом цикле. Срок службы и число циклов - величины несопоставимые. Поэтому на практике допускались большие неточности в оценке наработки крана. В качестве аналогии можно было бы назвать автомобиль, наработку которого оценивают километрами пробега, но не временем.

Ситуация коренным образом изменилась благодаря появлению современных микропроцессорных приборов безопасности - так называемых регистраторов параметров работы кранов (РПРК).

В соответствии с п.2.12.11 введенных в действие с 10.01.2001 г. «Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов ПБ 10-382-00» краны мостового типа грузоподъемностью более Ют и группы классификации (режима) не менее А6 по стандарту ИСО 4301/1-85, башенные краны грузоподъёмностью более 5т, портальные, железнодорожные и стреловые краны должны быть оборудованы регистраторами параметров их работы, которые могут конструктивно выполняться как в виде автономных изделий, так и быть встроенными в другие приборы и устройства безопасности крана. Однако, вступивший в силу с 01.03.2001 г. нормативный документ, регламентирующий требования к назначению, проектированию, изготовлению и эксплуатации регистраторов параметров работы кранов (РД 10-399-01), не содержит сведений об алгоритмах их функционирования и методиках фиксации характеристик на конкретных типах кранов, способах обработки и использования зарегистрированной информации. До сих пор окончательно не установлены перечень регистрируемых параметров и время их регистрации.

Настоящая работа посвящена вопросам дальнейшего совершенствования РПРК применительно к стреловым кранам, а именно - направлена на исследование универсальных экспертно-информационных приборов, способствующих повышению безопасности на основе укрепления дисциплины эксплуатации крана путем адекватной оценки выработанного ресурса, соблюдения сроков проведения и содержания регламентных работ, а также объективного анализа возникновения аварийных ситуаций.

Цель работы заключается в оценке безопасности эксплуатации стреловых кранов на основе регистрации и анализа их основных рабочих характеристик с помощью РПРК, встроенных в ограничители грузоподъемности кранов.

Методы исследований

• При разработке алгоритма оценки наработки стреловых кранов использовались прикладные аспекты строительной механики, математической статистики и случайных процессов, а также методы технической (функциональной) диагностики.

• При разработке алгоритма адаптации микропроцессорных ограничителей грузоподъемности со встроенными регистраторами к стреловому гидравлическому крану применялись методы математического моделирования.

• При конструировании и испытаниях приборов и устройств безопасности использовались методы тензометрирования и полупроводниковой схемотехники.

Научная новизна В диссертации впервые:

- предложены алгоритмы и методика оценки назначенного (нормативного) ресурса крана и механизмов так называемым нормативным характеристическим числом, представляющим собой (в частности, для крана) произведение коэффициента распределения нагрузок и числа циклов, соответствующих классу использования. Показано, что характеристическое число является обобщённой, физически адекватной и практически удобной математической мерой ресурса крана, однозначно определяющей группу режима работы;

- предложен алгоритм и методика измерения текущего значения характеристического числа для крана и его механизмов с момента установки регистратора параметров;

- предложен алгоритм и методика измерения суммарного значения характеристического числа для кранов и механизмов, находящихся в эксплуатации, на которые регистраторы параметров устанавливались не сразу, а спустя некоторое время;

- исследована математическая модель стрелового гидравлического крана и установлены соотношения для определения углов наклона стрелы, усилий и давлений в гидроцилиндре подъёма стрелы, вылета и массы груза, необходимых для регистрации во время эксплуатации; разработана программа для расчета указанных характеристик на IBM-совместимых персональных компьютерах в среде операционных систем Windows95/98/NT; систематизированы научные знания по адаптации ограничителей грузоподъёмности со встроенными регистраторами параметров к стреловым гидравлическим кранам с телескопической стрелой; предложены и исследованы типовые блок-схемы микропроцессорных систем контроля, диагностики, ограничения грузоподъёмности и безопасной эксплуатации стреловых кранов, имеющих встроенные РПРК.

Практическая ценность работы Полученные в диссертации выводы и рекомендации использованы в нормативной технической документации Госгортехнадзора России, головных научно - исследовательских и проектно-конструкторских институтов по кра-ностроению.

Полученные результаты создали предпосылки для разработки новых методов оперативной (функциональной) диагностики кранов с использованием штатных приборно-измерительных комплексов.

Разработаны методики регистрации показателей технологического процесса (в том числе параметров технического состояния) и расчета параметров работы стреловых кранов. Предложены формы протоколов результатов оперативной диагностики для включения в базу данных по параметрам работы крана, предназначенную для составления экспертного заключения. Составлены таблицы характеристических чисел для кранов и механизмов различных групп режимов работы.

Произведена оценка сроков службы грузоподъемных кранов, исходя из их групп классификации.

Установлены конструктивно-технологические принципы построения arpe-гатированных микропроцессорных приборов и устройств безопасности грузоподъёмных кранов со встроенными регистраторами параметров работы. Разработаны методики монтажа, наладки, ремонта и технического обслуживания ограничителей грузоподъёмности со встроенными регистраторами параметров на кранах. • Рассмотрены возможности дальнейшего развития регистратора параметров работы крана как экспертной системы.

Реализация результатов работы

Результаты работы реализованы:

- в ст.2.12.11 «Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов ПБ 10-382-00»;

- в руководящем документе Госгортехнадзора России РД 10-399-01 «Требования к регистраторам параметров грузоподъёмных кранов»;

- в конструкции ограничителя грузоподъёмности ОНК-140-ХХ-М со встроенным блоком телеметрической памяти - БТП (регистратором параметров работы крана), в котором предусмотрено измерение наработки кранов в соответствии с рекомендациями диссертации, выпускаемого серийно Арзамасским приборостроительным заводом (ОАО «АПЗ», г.Арзамас Нижегородской области).

Ограничитель грузоподъемности ОНК-140-ХХ-М устанавливается практически на все вновь изготавливаемые в России и ближнем зарубежье краны на предприятиях: ОА'О "Автокран" (г.Иваново), ОАО "ГАКЗ" (г.Галич Костромской области), ОАО "Мотовилихинские заводы" (г.Пермь), ОАО "ГАЗПРОМ-КРАН» (г.Камышин Волгоградской области), ОАО "СОКОЛ" (г.Самара), ОАО "УМЗ-2" (г.Ульяновск), ОАО "ПО УСОЛЬМАШ" (г.Усолье-Сибирское Иркутской области), ОАО "КРАСТ" (г.Ставрополь), ОАО "Клин-цовский автокрановый завод" (г.Клинцы Брянской области), ОАО "Челябинский механический завод" и ОАО «Челябинский кузнечно-прессовый завод» (г.Челябинск), ОАО "Ухтинский машзавод" (г.Ухта республики Коми), ОАО "Ивэнергомаш" (г.Иваново), ОАО «Туапсинский машзавод» (г.Туапсе Краснодарского края), ООО «Крановый завод» (г.Чебаркуль Челябинской обл.), ОАО «Угличмаш» (г.Углич Ярославской обл.), завод «Могилёвтрансмаш» (г.Могилёв, республика Беларусь), ОАО «Кировский завод им. 1-го Мая» (г.Киров), «Павлодарский машзавод» (г.Павлодар, республика Казахстан), АОЗТ «БАКРА» (г.Москва), ОАО «Тихорецкий машиностроительный завод им.В.В.Воровского» (г.Тихорецк Краснодарского края), ОАО «Юргинский машзавод» (г.Юрга Кемеровской области).

Ограничитель грузоподъемности ОНК-140-ХХ-М сертифицирован Госстандартом России (сертификат соответствия POCC.RU.MP03 .ВО 1427 от 24.06.1999г.). В 1998-2000 г. выпущено 4326 штук ограничителей ОНК-140-ХХ-М. С января 2001 года ОАО «АПЗ» (г. Арзамас) изготавливает в среднем 250 приборов ежемесячно.

Благодаря используемой разработанной в диссертации методики расчета рабочих таблиц для программирования ограничителя грузоподъёмности ОНК-140-ХХ-М (с БТП), последний по созданному и описанному в настоящей работе алгоритму в сжатые сроки с минимальными затратами адаптирован к большому количеству автокранов, находящихся в эксплуатации и уже не выпускаемых серийно, например КС-2572А-2, КС-2573-3, КС-2571-1, КС-3574, КС-3575А, КС-3577, КС-3577-4, КС-35715-1, КС-35714-1, КС-4571-1, КС-4573, КС-4572, КС-4572А, КС-4561А, КС-5473Б, КС-6471А, КС-6473, СМК-101, КС-4562Б, ЕДК-300.2, АД-20, АД-28 и др.

Ограничитель грузоподъемности ОНК-140-ХХ-М рекомендован Управлением по котлонадзору и надзору за подъёмными сооружениями Госгортех-надзора России (письмо № 12-01/287 от 31.03.1999г.) к установке на автокраны, находящиеся в эксплуатации, взамен устаревших конструкций ограничителей грузоподъёмности типа ОГП, ОГК, ОГБ и пр. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях секции научно-технического совета по подъёмным сооружениям Госгортехнадзора России, г. Москва, 1998-2001г.;

- на научно-практических семинарах по приборам и устройствам безопасности грузоподъёмных машин, проводимых НТЦ «Строймашавтоматизация» в г. Ивантеевка Московской обл. и в г. Сочи в 1997-2001 г.;

- на научно-практической конференции по безопасности подъёмных сооружений, г. Сочи, 1997г.;

11

- на международной научно-технической конференции "Качество, безопасность и энергосбережение", г.Самара, 1998 г.;

- на Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-98", г.Москва, 1998 г.;

- на международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), г.Москва, 1999 г.;

- на научно-практическом семинаре по совершенствованию Системы экспертизы промышленной безопасности Госгортехнадзора России, г.Сочи, 2000 г.

Заключение.

В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение, заключающаяся в создани алгоритмов и методики регистрации параметров работы стреловых кранов, которые в совокупности способствуют повышению безопасности их эксплуатации, а именно позволяют оценить наработку крана в целом и отдельных его механизмов, качество технического обслуживания крана и технический уровень его эксплуатации, причины возникновения аварийных ситуаций и инцидентов. Для обоснования и решения данной задачи проведены теоретические и экспериментальные исследования на стреловых кранах, проанализированы статистические данные по авариям и травматизму производственного персонала на кранах в период с 1991 по 2000 гг. в России , дана характеристика современного уровня технического обслуживания, ремонта и диагностирования грузоподъёмных кранов.

Результаты выполненных научных исследований позволили получить ряд выводов и практических результатов.

1. Срок службы крана, указываемый в его паспорте, не является адекватным критерием ресурса. Соответственно время работы крана, определённое по счётчику моточасов, не позволяет с приемлемой точностью оценить наработку крана и степень выработки ресурса.

2. Назначенный (нормативный) ресурс крана может оцениваться нормативным характеристическим числом, представляющим собой произведение коэффициента распределения нагрузок и числа циклов, соответствующих классу использования по ИСО 4301/1-85. Характеристическое число является обобщённым параметром, однозначно определяющим группу режима работы крана. Текущее значение характеристического числа (наработка) должна определяться как накопленная сумма кубических значений относительных масс поднимаемых грузов в каждом цикле, выполненном к данному моменту времени. Предлагаемый алгоритм позволяет учесть каждый рабочий цикл без потери информации о нагружении крана. Аналогично назначенный (нормативный) ресурс механизмов крана и их наработка могут оцениваться соответственно нормативным и текущим значениями характеристических чисел механизмов.

3. Предложен алгоритм определения суммарного значения характеристического числа (наработки) для кранов, находящихся в эксплуатации, на которые регистраторы параметров устанавливаются не сразу, а спустя некоторое время.

4. Представлена процедура определения моментов времени проведения регламентных работ по техническому обслуживанию крана на основании вычисляемых значений его наработки.

5. В настоящее время в паспортах кранов указывают две меры ресурса, не согласованные между собой, в связи с чем между ними возможны противоречия, которые могут приводить к опасным ситуациям. Для предотвращения отмеченных противоречий необходимо исключить одну из характеристик ресурса, приводимых в паспорте, и впредь ориентироваться только на оставшуюся. Целесообразнее исключить срок службы, так как характеристическое число - величина определённая, а срок службы - условная.

6. Применение регистраторов параметров работы кранов создаёт качественно новые условия эксплуатации кранов, которые не только повышают безопасность но и приносят прямые экономические выгоды машиностроителям и эксплуатационникам. Это, прежде всего, возможность точного определения моментов времени проведения процедур технического контроля, обслуживания и ППР. А, во-вторых -возможность точного определения исчерпания расчётного ресурса крана. Первое свойство по определению позволяет проводить и контролировать все виды технического контроля (технические освидетельствования и обследования), обслуживания (TOI, Т02 и т.п.) и планово-предупредительного ремонта в точном соответствии с предписаниями завода-изготовителя, а также уточнить гарантийные обязательства изготовителей кранов и периоды времени предъявления рекламаций. Второе свойство позволяет владельцам более обоснованно спланировать замену кранов, своевременно провести диагностические работы (например, перед сдачей крана в аренду или лизинг) с целью определения возможности продления срока безопасной эксплуатации кранов.

7. Применение РПРК позволит не устанавливать на краны счетчики моточасов.

8. Предложена универсальная блок-схема конструктивного построения ограничителя грузоподъёмности со встроенным регистратором параметров эксплуатации крана. Разработан алгоритм взаимодействия блока телеметрической памяти (регистратора) ограничителя нагрузки крана с микропроцессорным вычислительным модулем последнего.

9. Разработана математическая модель гидравлического стрелового крана, позволяющая проводить работы по адаптации микропроцессорных ограничителей грузоподъёмности со встроенными регистраторами параметров работы к кранам данного типа в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов ПБ 10382-00». Получены математические зависимости для формирования исходных таблиц для программирования ограничителя грузоподъёмности со в строенным БТП. Разработана программа расчета параметров стреловых кранов «Projekt Тар».

Ю.Предложена методика фиксации и обработки зарегистрированной БТП информации в соответствии с РД 10-399-01. Представлены формы выходных таблиц для оценки уровня эксплуатации и технического обслуживания кранов, а также выдачи органам Госгортехнадзора России сведений о возможных причинах аварий и инцидентов.

П.Разработана и поставлена на серийное производство на ОАО «Арзамасский приборостроительный завод» система безопасности стреловых кранов ОНК-140-ХХ-М, представляющая собой комплексную модульную конструкцию, позволяющую помимо защиты от перегрузки и

149 опрокидывания, от приближения к линиям электропередачи и координатной защиты информировать владельца машины о выработанном краном ресурсе и необходимости проведения регламентных работ , а также выдавать сведения об авариях. Аппаратура 0НК-140-ХХ-М устанавливается практически на все вновь выпускаемые в России стреловые краны.

1. Постановление Коллегии Госгортехнадзора России от 05,02.2001 года №1 «Об итогах работы Госгортехнадзора России в 2000 году и задачах на 2001 г.»// Безопасность труда в промышленности. 2001 г. - №2.-С.3-8.

2. Crane and Hoist Safety. Получено из Интернета 02.06.2001; www.osha.gov/priorities/crane.html.

3. Crane accidents 1997 1999: А report of the crane unit of the Division of occupational safety and health. Prepared by Philip. Yow Associate Cal // OSHA Engineer, May, 2000.

4. Ивашков И.И. Монтаж, эксплуатация и ремонт подъёмно-транспортных машин: Учебник для машиностроительных вузов.- М.: Машиностроение, 1981 г.-335с.

5. California accident report shows that falling loads are the greatest danger// Cranes Today, July, 2000.

6. ГОСТ 22827-85 «Краны стреловые самоходные общего назначения. Общие технические условия».

7. Справочник по техническому обслуживанию, ремонту и диагностированию грузоподъёмных кранов: В 2т./ В. С. Котельников, Н.А.Шишков, А.С.Липатов, Л.А.Невзоров, А.М.Горлин.- М.: ПИО ОБТ, 1996.

8. И. Концепция развития производства автомобильных кранов в России/ Котельников B.C., Шишков И. А., Анисимов B.C. и др.// Безопасность труда в промышленности, 1999г., - №5.- С.2-5.

9. Лукьянов Ю.П. О приборах регистрации параметров грузоподъёмных машин // Сборник статей и сообщений научно-практической конференции по безопасности подъемных сооружений, г.Сочи, 1-8 октября 1997г. Новочеркасский ГТУ, 1998 г. - С. 19-21.

10. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21 июля 1997г. № 116-ФЗ. //Собрание законодательства Российской Федерации, 1997 г., №30, ст. 3588.

11. Постановление Правительства Российской Федерации "О регистрации объектов в государственном реестре опасных производственных объектов" от 24 ноября 1998 года N 1371// Российская газета, № 228 за 1998 год.

12. Постановление Правительства Российской Федерации "О применении технических устройств на опасных производственных объектах" от 25 декабря 1998 года N 1540// Собрание законодательства Российской Федерации, 1999 г., №1, ст. 191.

13. Алгоритм оценки выработки грузоподъёмным краном нормативного срока службы/ Котельников B.C., Зарецкий А.А, Самойлов С.С., Фёдоров И.Г., Свиридов В.В. // Безопасность труда в промышленности.-1988г.-№8.- С.38-40.

14. Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), г.Москва, 24-29 мая 1999 года. -М., МИИГАиК, 1999г. -С.155.

15. Попов Б.Е., Котельников B.C., Зарудный A.B., Левин Е.А,, Безлюдько Г.Я. Магнитная диагностика и остаточный ресурс подъёмных сооружений// Безопасность труда в промышленности.- 2001 г.- №2.- С.44-49.

16. Попов Б.Е., Мужицкий В.Ф., Безлюдько Г.Я. и др. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса металлоконструкций подъёмных сооружений// Контроль. Диагностика . -1998.-№3.-С.40-44.