автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности металлических конструкций портальных кранов

005017991

На правах рукописи

НЕКРАСОВА АНАСТАСИЯ ВИТАЛЬЕВНА

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ

Специальность: 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

Санкт-Петербург - 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВГТО «СПбГПУ»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Соколов Сергей Алексеевич, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (СПбГПУ)

Официальные онпоненты: Пептон Сергей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (СПбГПУ);

Розовский Натан Яковлевич,

кандидат технических наук, заведующий лабораторией «Грузоподъёмных машин», ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» (СПбГУВК)

Ведущая организация: ЗАО «PATTE»

195196, Санкт-Петербург, Заневский пр., дом 13, лит. А

Защита состоится J_5 мая 2012 г. в 16 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.229.24 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, корп.1, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (СПбГПУ).

Автореферат разослан « /О » Qlb^ZAPl 2012 г.

Ученый секретарь —.

диссертационного совета: Ау^ч

кандидат технических наук, доцеш/ Данил Евгеньевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Портальные краны являются одним из основных средств механизации перегрузочных работ в речных и морских портах для перегрузки штучных и сыпучих грузов, они используются также на открытых складах, в судостроении и строительстве. Эти машины отличаются высокой производительностью, имеют большие вылеты, обеспечивают энергопотребление меньше, чем козловые краны.

Металлическая конструкция шарнирно-сочлсненной стреловой системы портального крана имеет сравнительно сложную геометрию, параметры которой на стадии проектирования выбираются исходя из функциональных требовании с учетом условий прочности и горизонтальности траектории. Однако опыт эксплуатации портальных кранов свидетельствует о том, что при интенсивном режиме работы ресурс его металлической конструкции ограничивается развитием усталостного повреждения. В настоящее время не существует общепринятой нормативной методики расчета элементов стреловой системы на сопротивление усталости, и даже нормирование режимов работы портальных кранов не имеет однозначного обоснования. Это связано со спецификой нагруженности элементов стреловой системы и использованием нескольких грузовых характеристик, в том числе переменных по вылету. Эти факторы существенно усложняют прогнозирование долговечности его конструкции.

Для рационального проектирования стреловых конструкций необходимо иметь методику оценки их долговечности, которая учитывает конструктивные особенности машины, условия эксплуатации и специфику систем управления. Причем последнее обстоятельство приобретает особую значимость с учетом внедрения электроприводов с частотной системой управления. Такая методика позволит найти конструктивно-технологические решения, обеспечивающие необходимый уровень надежности портальных кранов на стадии проектирования, а также даст возможность производить оценку остаточного ресурса конструкции в процессе эксплуатации.

Целью диссертации является методика оценки долговечности металлических конструкций шарнирно-сочлененных стреловых систем портальных кранов. Методика учитывает конструктивные особенности крана, возможности системы управления приводами и характер работы. Для прогнозирования процесса нагружения конструкции используются методы статистического моделирования режима эксплуатации. Методика построена в системе расчетов по предельным состояниям и реализована в виде программного алгоритма. Применение данной методики продемонстрировано

примере расчета трех портальных кранов. Результаты этих расчетов позволили проанализировать влияние основных конструктивных факторов на долговечность элементов стреловой системы.

Работа направлена на решение следующих задач:

1. Разработка методики статистического моделирования эксплуатационной нагруженное™ элементов шарнирно-сочлененной стреловой системы портального крана для расчета на сопротивление усталости.

2. Анализ влияния основных геометрических и грузовых факторов на расчетный размах напряжений и оценка их значимости. Определение значений коэффициента циклического нагружения для элементов стреловой системы.

3. Разработка методики прогнозирования долговечности элементов стреловой системы портального крана с учетом случайного характера эксплуатационной нагруженности.

4. Анализ влияния формы траектории перемещения груза и динамических нагрузок на эксплуатационную нагруженность и долговечность элементов стреловой системы.

5. Разработка рекомендаций по проектированию стреловой системы портального крана с целью обеспечению требуемой долговечности.

Для инженерной реализации предлагаемых методик разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять расчеты по заданным параметрам в автоматическом режиме.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором и обладающие научной новизной:

1. Методика и алгоритм статистического моделирования эксплуатационной нагружености шарнирно-сочлененных стреловых систем портальных кранов.

2. Методика и алгоритм прогнозирования долговечности элементов стреловых систем портальных кранов по условию сопротивления усталости.

3. Рекомендации по определению параметров глобального цикла нагружения стрелы и хобота, а также значений коэффициентов циклического нагружения, которые могут быть использованы в инженерных расчетах стреловых систем портальных кранов на сопротивление усталости.

4. Результаты анализа влияния геометрических и нагрузочных параметров портальных кранов на долговечность элементов их стреловых систем, выполненного с использованием разработанных методик и алгоритмов.

Методы исследования. Теоретические положения работы базируются на известных методах статистического моделирования, численных методах расчета и алгоритмизации, а также гипотезе линейного суммирования усталостных повреждении. Использовано надежное программное обеспечение, достоверные результаты ■экспериментальных исследовании, учтен опыт проектирования и эксплуатации портальных кранов. Методики построены в системе расчетов по предельным состояниям.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- предложенные методики и алгоритмы позволяют производить оценку долговечности элементов стреловых систем портальных кранов, как на стадии проектирования, так и при оценке остаточного ресурса;

- получены зависимости долговечности элементов стреловых систем от значений динамических нагрузок и конфигурации стреловой системы, которая обуславливает траекторию перемещения груза при изменении вылета стрелы;

- установлены эффективные пути повышения долговечности конструкции, показана эффективность применения современных приводов с частотной системой регулирования.

Реализации результатов работ. По заказу ЗЛО «РАТТЕ» была выполнена с использованием разработанного методического и программного обеспечения оценка долговечности и остаточного ресурса трёх портальных кранов КПП 16 (34/52), «Витязь» (42/65) и «Докер» (42/52), находящихся в настоящее время в эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научно-технических конференциях в СПбГПУ (2008 - 2011 гг.), научно-технических семинарах кафедры «Транспортные и технологические системы» СПбГПУ (2008-2011 гг.), на конференции политехнического симпозиума «Молодые учёные - промышленности Северо-западного региона» 2007 г.; выставке по итогам конкурса грантов Санкт-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук; были изложены в сборниках аннотаций научных работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук 2008 г. и 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 печатных работах, включая 1 работу в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура н объём работы. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, включает 70 рисунков, 3 формы и 13 таблиц, состоит из

введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка использованных источников 66 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая информация о портальных кранах; указаны основные проблемы, связанные с их проектированием, нормированием режимов работы и определением остаточного ресурса эксплуатируемых кранов. Обоснована актуальность и сформулирована цель диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены существующие конструкции портальных кранов, конструкции их основных механизмов, схемы стреловых устройств и систем уравновешивания, указаны основные характеристики рабочих движений. Приведены результаты обзора литературы по исследованию усталости металлических конструкций, описаны основные достижения в этой области, описаны существующие методики расчёта на сопротивление усталости грузоподъемных машин.

Исследованиям кинематики и нагруженности металлических конструкций портальных кранов, а также проблемам расчета и проектирования стреловых устройств посвящены работы Дукельского Л.И., Гохберга М.М., Брауде В.И., Серлина Л.Г., Орлова А.Н., Бортякова Д.Е. На основании результатов их исследований созданы методики синтеза оптимальных по массе стреловых устройств, обеспечивающих наилучшую траекторию перемещения груза при изменении вылета, с учетом условий прочности и конструктивных ограничений. Материалы экспериментальных исследований Розовского Н.Я., Карпова В.В., Орлова А.П., Бортякова Д.Е. позволили сформировать рекомендации по оценке динамических нагрузок и углов отклонения подъемных канатов при раскачивании груза. Основы расчетов металлических конструкций грузоподъемных машин на сопротивление усталости заложены в работах ММ.Гохберга, В.И.Труфякова, В.Н.Юшкевича и др. Под руководством профессора Брауде В.И. создана методика вероятностного расчета долговечности металлических конструкций портальных кранов, базирующаяся на результатах статистических исследований процессов эксплуатационного нагружения их элементов. В работах Н.Я.Разовского эта методика была доведена до уровня, приемлемого для инженерного применения.

Однако методика вероятностных расчётов портальных кранов, основанная на статистических данных, собранных для старых моделей машин, оснащенных релейно-контакторными системами управления приводами, не позволяет прогнозировать

долговечность машин, оснащенных электроприводами с частотными системами управления, анализировать влияние особенностей траектории перемещения груза. Кроме того отсутствуют рекомендации, которые позволили бы оценить влияние снижения динамических нагрузок и искать пути повышения долговечности конструкций.

Анализ существующего состояния методического обеспечения проектирования портальных кранов обусловил цель диссертационной работы как методику оценки долговечности металлических конструкций шарнирно-сочленснных стреловых систем портальных кранов с учетом их конструктивных и нагрузочных характеристик, а также ее структуру и перечень задач, которые должны быть решены.

Вгоняя глава посвящена конкретизации существующей методики нормирования режимов работы грузоподъемных машин применительно к особенностям портальных кранов, а также исследованию процессов нагружения элементов стреловой системы.

Принятая в настоящее время методика нормирования режима работы кранов по ISO 4301/1 устанавливает систематизацию данных о магруженности металлических конструкций кранов для расчета их на сопротивление усталости. Она в основном ориентирована на краны мостового типа, которые имеют постоянные грузовые характеристики, а размах напряжений в значительной степени определяется массой поднимаемого груза. Портальные краны имеют несколько грузовых характеристик, в том числе переменных по вылету. Кроме того, размах напряжений в элементах стреловой системы не пропорционален массам грузов, а зависит от траектории его перемещения и процессов раскачивания грузовых канатов. В связи с этим показано, что коэффициент распределения нагрузок АТ;), устанавливаемый нормативными

режимами, может быть применен только для части элементов металлической конструкции, то есть для колонны, каркаса и портала.

Для учета множественности и переменности грузовых характеристик предложено конкретизировать нормативную методику применительно к портальным кранам, не нарушая ее структуры. В частности коэффициент распределения нагрузок, который

согласно ISO 4301/1 вычисляется как К

на основании вероятностного подхода как

рекомендовано находить

"г „

1 "У' 1с, (Л)]

/с («И- (П

Здесь J - количество грузовых характеристик; й ¡(Я) и С?,(/?) - зависимости грузоподъемности от вылета по /-той и по первой, то есть максимальной, характеристике; - частота реализации /-той грузовой характеристики; /С(К) плотность распределения максимальных вылетов.

Такой подход позволил получить набор комбинаций классов использования и нагружения, соответствующих одной группе режима работы, которые следует использовать при расчетах на сопротивление усталости. Расчеты, выполненные для различных вариантов работы крана по различным грузовым характеристикам для трех вариантов законов распределения вероятностей вылетов, трапецеидальному, равномерному и усеченному нормальному, показали, что принципиальных различий по значениям коэффициента Кр они не дают.

В данной главе также описана предлагаемая методика моделирования нагруженности элементов стреловой системы портальных кранов, необходимая для прогнозирования процесса накопления

усталостного повреждения. Расчет на % сопротивление усталости выполняется РЗ V для конкретного места ...................\

металлоконструкции, где сочетаются г \\ \

Г XV ^^¡а.

достаточно большой размах !! \Ч

. , \ \ ''. У ■ V '

номинальных напряжении от внешней

нагрузки (До = отпах отшп) и

существенная концентрация

напряжений от сварных или болтовых . !

соединений, галтельных переходов, ШВ

вырезов и т.п. Такие места называют Н|

расчетными зонами (РЗ). Основной ]|||1

расчёт на сопротивление усталости выполняется по РЗ, расположенным в

основных сечениях конструкции в Рнс.1. Схема портального «фана с указаниями области наибольших растягивающих мест расположения РЗ

напряжении. Возникновение в этих зонах усталостной трещины может привести к катастрофическим последствиям и свидетельствует об исчерпании ресурса конструкции. В стреловой системе портального крана РЗ расположены в поперечном сечении стрелы, в месте шарнирного присоединения рейки механизма изменения вылета, в хоботе, в верхней части сечения в зоне перегиба верхнего поясного листа (рис. 3). Расчет оттяжки показывает, что в ней в процессе эксплуатации существенные переменные напряжения не возникают.

Для расчета процесса накопления усталостного повреждения в элементах стреловой системы необходимо смоделировать график изменения напряжений, возникающих в этих элементах в ходе работы крана по различным технологическим схемам и по разным грузовым характеристикам. Параметры цикла работы крана, масса груза, вылеты, углы отклонения грузовых канатов, динамические коэффициенты при работе механизмов, являются случайными величинами. Для построения модели процесса нагружения принимаются следующие допущения:

1) Процесс эксплуатации формируется из циклов работы крана, которые повторяются многократно. Каждый цикл работы представляет собой описание возможной траектории перемещения груза.

2) Вылеты, на которых начинается и заканчивается цикл, являются случайными величинами.

3) Масса груза равна номинальной грузоподъемности крана на максимальном вылете текущего никла, выполняемого по заданной грузовой характеристике.

В данной работе вылеты, на которых оказывается грузозахватный орган в произвольный момент времени, рассматриваются как случайные величины, распределенные по усеченному нормальному, трапецеидальному или равномерному законам распределения. Наиболее реалистичной и в тоже время пессимистической оценкой распределения является трапецеидальный закон, переменные участки графика плотности которого занимают 10% полного диапазона в зоне минимальных и максимальных вылетов. То есть области, в которых кран работает весьма редко и к тому же автоматически обеспечивается снижение скорости механизма изменения вылета. Наименее реалистичной оценкой распределения является равномерный закон, так как, при распределении вылетов по нему, учитываются зоны граничных вылетов, на которых кран работает редко. Нормальный усечённый закон используется на основании статистических данных, собранных сотрудниками Ленинградского института водного транспорта.

Моделирование процесса работы крана производится разыгрыванием нескольких (и1) траекторий перемещения груза со случайными параметрами. Для каждого цикла работы в характерных точках траектории последовательно производятся расчёты напряжений в РЗ с учётом текущих положений всех элементов стреловой системы по всем комбинациям нагрузок (табл. 1) в соответствии с заданной грузовой характеристикой. В результате получается массив значений напряжений в РЗ, характеризующих процесс эксплуатационного циклического нагружения.

Таблица 1

Расчетные комбинации нагрузок_

№ Напря ЖЄІІІІИ Манипуляции крана Нагрузки на систему

1 СТІ Груз на земле Собственные веса

2 о2 Плавный подъём груза Вес груза, собственные веса

3 аЗ Отрыв груза от основания Вес груза, собственные веса, вертикальные динамические нагрузки

4 а4 Торможение механизма подъёма Вес груза, собственные веса, обратные колебания

5 а5 Плавная работа МИВ ' механизм работает в сторону уменьшения вылета Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены от стрелы

6 об Разгон/торможение МИВ, механизм работает в сторону уменьшения вылета Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы, направлены от стрелы; отклонение грузового каната в плоскости качания стрелы направлено от стрелы

7 сг7 Разгон/торможение МИВ, механизм работает в сторону увеличения вылета Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы, направлены от стрелы; отклонение грузового каната в плоскости качания стрелы направлено к стреле

8 о8 Плавная работа МИВ механизм работает в сторону увеличения вылета Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены к стреле

9 о9 Разгон/торможение МИВ, механизм работает в сторону увеличения вылета Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы, направлены от стрелы; отклонение грузового каната в плоскости качания стрелы направлено от стрелы

10 ОІ0 Разгон/торможение МИВ, механизм работает в сторону увеличения вылета Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы, направлены от стрелы; отклонение грузового каната в плоскости качания стрелы направлено к стреле

№ Напря ЖЄШІЯ Манипуляции крана Нагрузки на систему

11 а 11 Плавная работа механизма поворота" по часовой стрелке Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены против часовой стрелки

12 о12 Плавная работа механизма поворота" против часовой стрелки Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены по часовой стрелке

13 ОІЗ Разгон/торможение механизма поворота по часовой стрелке Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены против часовой стрелки; отклонение грузового каната из плоскости качания стрелы, направлено против часовой стрелки

14 о14 Разгон/торможение механизма поворота по часовой стрелке Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены против часовой стрелки; отклонение грузового каната из плоскости качания стрелы, направлено по часовой стрелке

15 о15 Разгон/торможение механизма поворота против часовой стрелки Вес груза, собственные веса, силы инерции элементов стреловой системы направлены по часовой стрелке; отклонение грузового каната из плоскости качания стрелы, направлено по часовой стрелке

16 СТІ6 Разгон/торможение механизма поворота против часовой стрелки Вес груза, собственные веса, силы инерщш элементов стреловой системы направлены по часовой стрелке; отклонение грузового каната из плоскости качания стрелы, направлено против часовой стрелки

Примечания:

1. Обозначено: МИВ - механизм изменения вылета.

2. Отсутствуют раскачивания г рузовою каната.

3. Холостую часть цикла, то есть холосюй ход грузозахватиото органа, можно не учитывать, так-как создаваемые при эюм циклы нагруження для элеменюв сіреловой сисчемы не являются повреждающими.

В третьей главе описана предлагаемая методика расчёта металлических конструкций портальных кранов на сопротивление усталости, приведён анализ и рекомендуемые для расчёта значения коэффициента циклического нагруження для стрелы, хобота и оттяжки.

При построении методики расчета на сопротивление усталости за основу была принята методика, которая ориентирована на расчет несущих металлических конструкций машин циклического действия и в качестве исходных данных использует расчетные параметры нестационарного эксплуатационного нагруження. Прогнозирование долговечности элементов стреловой системы, подвергающихся сложному нестационарному процессу нагруження, целесообразно вести в форме

анализа накопленного усталостного повреждения с использованием гипотезы линейного суммирования повреждений, которая удовлетворительно подтверждается для элементов сварных конструкций в условиях хорошо «перемешанного» процесса циклического нагружения и дает приемлемую погрешность, идущую в запас надежности.

Согласно гипотезе линейного суммирования повреждений усталостное повреждение, возникающее за один усредненный цикл работы крана, вычисляется по результатам обработки ir циклов работы крана как

-7 1 ¿Г.. (к„ата\. У"'

= —Z—-^-■ (2)

u' '-«^„{yj^Y,^,,,) ■ Здесь ствк и nij - предел выносливости РЗ на базе N„ = 2-106 циклов нагружения и показатель наклона усталостной кривой при коэффициенте асимметрии цикла Rrt соответственно; a max, - значение наибольшего максимума напряжений, действующего в РЗ в течение одного цикла работы крана; , у ^, ул, ут -

коэффициенты надежности, учитывающие различные аспекты неточности расчета, которые в данной работе принимались постоянными по известным рекомендациям. С,е = iijdti: - коэффициент циклического нагружения, который характеризует влияние дополнительных циклов, происходящих за один цикл работы крана, но имеющих меньший размах напряжении, чем глобальный цикл; <7, - усталостное повреждение за один усредненный цикл работы крана, вычисленное по параметрам глобального цикла нагружения.

Эквивалентное количество циклов работы крана до возникновения усталостного повреждения вычисляется как С =|/(/, . Для обеспечения проектной долговечности должно быть С. > СТ, где Ст - нормативное количество циклов работы крана за срок службы, соответствующее установленному классу использования.

Значения коэффициента циклического нагружения, рекомендуемые для использования при расчёте элементов стреловой системы портального крана на сопротивление усталости, были вычислены в результате анализа модельных процессов нагружения РЗ в стреле, хоботе и оттяжке. Для этого на языке Java была написана программа ANJ-2009. В качестве исходных данных в этой программе задаются базовые значения усталостных характеристик и процесс циклического нагружения РЗ.

Модельный процесс задается в виде графика изменения напряжений, возникающих при реализации нескольких циклов работы крана, осуществляемых по различным схемам. В характерных точках каждого цикла вычислялись напряжения в РЗ по соответствующим комбинациям нагрузок (табл. I). Полученный график схематизировался методом полных циклов, и выделенные циклы нагружения приводились к симметричному циклу, после чего вычислялось значение коэффициента циклического нагружения как

4>2>,-Хк ■<—)"]], о)

/■1

где у - номер цикла работы крана, J - количество рассматриваемых циклов, / - номер ступени нагружения, /, - количество ступеней нагружения, - число циклов

нагружения с одинаковым размахом напряжений, ег,^, - эксплуатационные напряжения в опасном сечении рассматриваемого элемента металлоконструкции, приведённые к симметричному циклу нагружения; сг, - эквивалентное напряжение, равное наибольшему приведенному напряжению, полученному с учетом раскачивания груза на канатах; - весовой коэффициент, который присваивается каждому ХТЦ работы крана.

При помощи данной программы были осуществлены расчёты для нескольких кранов с разными параметрами стреловых систем и определены значения коэффициента циклического нагружения для элементов металлоконструкции с учетом и без учета продольных и поперечных раскачиваний грузового каната. Результаты расчетов коэффициента представлены в табл.2.

Таблица 2

Коэффициенты циклического нагружения элементов портального крана

Элементы Точки опасного сечении

1 2 3 4

Хобот, без раскачиваний 1,0 1,0 1,0 1,0

Хобот, с учетом раскачиваний 1,1 1,1 1,1 1,02

Оттяжка, без раскачиваний н/п ц н/п ц н/п ц н/п ц

Оттяжка, с учетом раскачиваний н/п ц н/п ц н/п ц н/п ц

Стрела, с учетом раскачиваний 1,1 1,1 1,2 1,2

Примечание; Н/п и - не повреждающие циклы. На основании этих расчетов сделаны следующие выводы:

- процессы эксплуатационного нагружения оттяжки с учетом динамических нагрузок и раскачивания груза не создают повреждающих циклов;

- для расчёта стрелы на сопротивление усталости рекомендуется использовать значение коэффициента циклического нагружения 1,2, для хобота - 1,1.

В четвёртой главе представлен алгоритм анализа долговечности элементов стреловой системы портального крана. Он включает следующие основные разделы:

- ввод исходных данных: массы и геометрические параметры элементов стреловой системы, скорости и время работы механизмов крана, углы раскачиваний грузового каната в плоскости и из плоскости качания стрелы, геометрические параметры сечений основных элементов стреловой системы, характеристики материала элементов стреловой системы, параметры режима работы крана; параметры закона распределения, по которому разыгрываются вылеты; расчётные коэффициенты;

- статистическое моделирование процесса работы крана: разыгрывание случайных параметров траектории перемещения груза, задание грузовой характеристики, определение расчетной массы груза и инерционных нагрузок;

- математическая модель геометрии и кинематики шарнирно-сочлененного стрелового устройства;

- построение линии влияния изгибающих моментов и продольных сил в опасных сечениях стреловой системы от единичных сил х, у, ъ, приложенных в точке подвеса груза; вычисление напряжений, действующих в РЗ конструктивного элемента, во всех расчетных точках траектории груза по всем комбинациям нагрузок;

- анализ процесса нагружения, расчет накопленного усталостного повреждения и оценка долговечности.

Алгоритм реализован в пакете Ма^САО.

В мятой главе изложены результаты исследования влияния параметров стреловой системы и динамических нагрузок на долговечность стрелы и хобота. Эти исследования были выполнены с использованием вышеописанных алгоритмов. На основании этого анализа были сделаны следующие выводы и заключения:

1. Моделирование эксплуатационной нагруженности стреловой системы позволило установить следующие правила вычисления параметров глобального цикла нагружения хобота для расчета на сопротивление усталости: максимальные напряжения возникают при разгоне/торможении механизма подъёма груза, при работе крана на максимальном вылете; минимальные напряжения возникают, при минимальном вылете стрелы без груза.

2. Для определения параметров глобального цикла нагружения стрелы для кранов с минимальным вылетом 8 - 10 м и максимальным 32 - 34 м целесообразно руководствоваться следующими рекомендациями: максимальные напряжения в опасном сечении стрелы возникают на' средних вылетах (20 - 27 м) при работе механизма поворота (при этом грузовой канат раскачивается из плоскости качания стрелы), минимальные на вылете 15 - 17 м при работе механизма изменения вылета (при этом грузовой канат раскачивается в плоскости качания стрелы).

3. Наибольшее влияние на долговечность металлоконструкции хобота оказывают динамические нагрузки, возникающие при работе механизма подъёма (рнс. 2). Так понижение динамического коэффициента с 1,6 до 1,2, которое вполне возможно реализовать с помощью частотных приводов, обеспечивает повышение долговечности примерно на 70 %.

х 1 го

5 0.3

0,6 0,4 0,2 О

—

ч V

V

Их

**

-+— Минимальная грузовая

характер ж гик ,1

.....Максимальная

Промежуточная

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

Рис.2. График зависимости долговечности хобота в относительных единицах -——

шах

от динамического коэффициента у/

4. Наибольшее отрицательное влияние на долговечность металлоконструкции стрелы оказывают раскачивания грузового каната в плоскости и из плоскости качания стрелы, возникающие при работе механизмов изменения вылета и поворота соответственно (рис.3). Причём, раскачивания грузового каната, возникающие при работе механизма поворота, влияют на долговечность стрелы наиболее сильно. Уменьшение с помощью частотных приводов углов отклонения канатов с 6" до 3° обеспечивает повышение долговечности примерно на 86 %.

5 ■о

0,8 -

0,6

0,4

0,2

\ "' ;

МеняетсясТИё "*■" Меняется« -■*■- Меняется

5 6

Рис.З. График зависимости долговечности стрелы в относительных единицах

Л.

с!......

от углов раскачивания грузового каната в плоскости а и из плоскости /? качания стрелы для максимальной грузовой характеристики

5. Отклоненне траектории перемещения груза от горизонтали оказывает на долговечность стрелового устройства существенно меньшее влияние, чем продольные и поперечные раскачивания грузового каната, возникающие при работе механизмов изменения вылета и поворота. Поэтому данный фактор имеет смысл учитывать только в тех случаях, когда углы отклонения канатов и динамические нагрузки снижены до минимума с помощью частотных приводов.

6. Масса стрелового устройства оказывает не значительное влияние на долговечность металлоконструкции стрелы и дает снижение долговечности, не превышающее разброс значении этого показателя, менее 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В настоящем диссертационном исследовании разработан ряд методических материалов, направленных на развитие и совершенствование методического обеспечения оценки долговечности и остаточного ресурса портальных кранов. Эти материалы восполняют пробелы в существующих подходах к решению указанной проблемы и являются новым научным результатом в области обеспечения надежности подъемно-транспортных машин.

Основные выводы и результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработана методика, алгоритм и программная реализация статистического моделирования эксплуатационной нагруженности элементов шарннрно-сочлененнои стреловой системы портального крана, которая позволяет учитывать геометрию и кинематику стреловой системы, динамические нагрузки и особенности систем управления приводами механизмов. Даны рекомендации по оценке параметров глобального цикла нагружения элементов конструкции для расчета на сопротивление усталости.

2. Разработана методика, алгоритм и программная реализация расчёта металлических конструкций стреловой системы на сопротивление усталости и определения их долговечности, которая может быть применена как на стадии проектирования конструкции и выбора конструктивных решений, так п при оценке остаточного ресурса кранов, отработавших нормативный срок службы. Данная методика использует результаты статистического моделирования эксплуатационной нагруженности конструкций.

3. На основании статистического анализа структуры циклического нагружения конструкции, создаваемого при совершении краном рабочего цикла, получены оценки коэффициента циклического нагружения для элементов стреловой системы (стрелы, хобота). Применение этого коэффициента упрощает алгоритм прогнозирования долговечности конструкций.

4. С использованием разработанных методик и программ выполнен анализ влияния собственной массы стреловой системы, геометрических параметров траектории перемещения груза, динамических нагрузок, углов раскачивания грузовых канатов на долговечность стрелы и хобота. Результаты этого анализа дали основание утверждать, что наиболее существенное влияние на долговечность стрелы оказывают углы раскачивания грузовых канатов.

5. Анализ показал, что применение приводов с частотной системой управления,

которое может обеспечить уменьшение углов отклонения и количества качаний

грузовых канатов повысит долговечность элементов стреловой системы в 6т 7 раз.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В рецензируемых журналах, входящих в реестр ВАК РФ:

1. Некрасова А.В, Бортиков Д.Е., Соколов С.А. Моделирование эксплуатационной нагруженности элементов портальных кранов. Научно-технические ведомости СПбГПУ. № 3' 2008. Информатика. Телекоммуникации. Управление. СПбГПУ. Изд-во Политехнического университета, член Издательско-полиграфнческои ассоциации университетов России. С. 203-211.

В других изданиях:

2. Некрасова A.B., Алексеенко Я.В., Соколов С.А., Боргяков Д.Е. Методика оценки долговечности и определения остаточного ресурса элементов несущей конструкции портального крана. Молодые ученые - промышленности СевероЗападного региона: Материалы конференции политехнического симпозиума, СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007. С. 25-26.

3. Некрасова A.B., Соколов С.А., Бортяков Д.Е. Методика оценки долговечности и определения остаточного ресурса элементов несущей конструкции портального крана. XXXVI Неделя науки СПбГПУ: Материалы межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов.Ч.Ш. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 89-90.

4. Некрасова A.B. Исследование эксплуатационной нагруженности и долговечности несущих конструкций портальных кранов. Тринадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации научных работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. - СПб.: Фонд «ГАУДЕАМУС», 2008. С. 122.

5. Некрасова A.B. Прогнозирование долговечности несущих конструкций машин. Пятнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации научных работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2010 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. -СПб.: Фонд «ГАУДЕАМУС», 2010. С.128.

Подписано в печать 06.04.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9057Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

61 12-5/3249

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет»

(ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

На правах рукописи

Некрасова Анастасия Витальевна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ

Специальность: 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъёмно-

транспортные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Соколов Сергей Алексеевич

Санкт-Петербург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

1

1.1 1.2 1.3

2.1

2.2

2.2.1 2.2.2 2.2.3

3

3.1

3.2

3.3

4.1

4.2

4.3

ВВЕДЕНИЕ.

Обзор и анализ литературы, постановка задачи исследования.

Конструкции портальных кранов...........................................

Методики расчёта на сопротивление усталости.........................

Постановка задачи и программа работ....................................

Моделирование эксплуатационной нагруженности элементов стреловых систем портальных кранов.........................................

Методика нормирования режима работы крана.................................

Методика моделирования нагруженности элементов стреловой системы

портальных кранов......................................................................

Выбор расчётных зон..................................................................

Принципы моделирования эксплуатационной нагруженности...............

Эксплуатационные нагрузки и напрююения, действующие на элементы конструкции.............................................................................

Расчёт на сопротивление усталости................................................

Методика расчёта несущих конструкций портальных кранов на

сопротивление усталости.................................................................

Определение усталостных характеристик расчётной зоны.......................

Значения коэффициента циклического нагружения Се для стрелы и

хобота........................................................................................

Алгортм анализа долговечности элементов стреловой системы портального крана........................................................................

Блок исходных данных...................................................................

Создание массива вылетов для Ш циклов работы портального крана..........

Определение зависимости углов наклона элементов стреловой системы от вылета.......................................................................................

6 6 10 15

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

5

5.1

5.2

5.3

5.4

Приведение веса хобота к точке подвеса груза...................................

Определение динамических нагрузок на элементы стреловой системы....

Блок расчёта геометрических параметров опасного сечения..................

Построение линий влияния изгибающих моментов и продольных сил и определение напряжений, действующих в опасных сечениях элементов

металлоконструкции........................................................................

Расчёт долговечности по повреждениям............................................

Обоснование числа рассматриваемых циклов работы портального крана.

Результаты исследования долговечности стрелы и хобота...............

Исследование зависимости долговечности хобота и стрелы от

эксплуатационных характеристик...................................................

Влияние массы стреловой системы на долговечность её элементов.........

Влияние траектории перемещения груза на долговечность конструкции

стрелы.....................................................................................

Основные выводы........................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................

50

51

52

53

54

55

56

56 62

63 80

82

84

ВВЕДЕНИЕ

Портальные краны являются одним из основных средств механизации перегрузочных работ в речных и морских портах для перегрузки штучных и сыпучих грузов, они используются также на открытых складах, в судостроении и строительстве. Портальные краны представляют собой полноповоротные стреловые краны, поворотная часть которых установлена на портале, передвигающемся по крановым рельсам, проложенным по земле или эстакаде. Портальные краны отличаются высокой производительностью, имеют большие вылеты, обеспечивают энергопотребление меньше, чем козловые краны. При изменении вылета их траектория движения груза близка к горизонтальной.

Металлическая конструкция стреловой системы имеет сравнительно сложную геометрию, параметры которой на стадии проектирования выбираются исходя из функциональных требований с учетом условий прочности и горизонтальности траектории. В настоящее время не существует общепринятой нормативной методики расчета элементов стреловой системы на сопротивление усталости, и даже нормирование режимов работы портальных кранов не имеет однозначного обоснования. Это связано с тем, что эти краны имеют несколько грузовых характеристик, в том числе переменных по вылету.

Все это приводит к сложностям при проектировании этих машин и прогнозировании их долговечности. При этом опыт их эксплуатации свидетельствует о том, что при интенсивном режиме работы крана ресурс его металлической конструкции ограничивается развитием усталостного повреждения. Поэтому для рационального проектирования конструкций необходима оценка их долговечности, проведённая с учётом конструктивных особенностей машины, условий эксплуатации и специфики систем управления. Это позволяет найти конструктивно-технологические решения, обеспечивающие необходимый уровень надежности и безопасности портальных кранов, а также снижения эксплуатационных затрат. Так же в процессе эксплуатации, например, после исчерпания назначенного ресурса, для принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации необходимо оценить остаточный ресурс конструкции.

Диссертация посвящена разработке методики оценки долговечности основных несущих конструкций портальных кранов, которая могла бы использоваться, как на стадии проектирования, так и для оценки остаточного ресурса. Методика учитывает конструктивные особенности крана, возможности системы управления приводами и

характер работы. Для прогнозирования процесса нагружения конструкции используются методы статистического моделирования режима эксплуатации. Методика построена в системе расчетов по предельным состояниям и реализована в виде программного алгоритма. Применение данной методики продемонстрировано на примере расчета трех портальных кранов. Результаты этих расчетов позволили проанализировать влияние различных факторов и характеристик на долговечность элементов стреловой системы.

1.ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 КОНСТРУКЦИИ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ

Конструкции портальных кранов очень разнообразны. Различают перегрузочные (грейферные и крюковые) и монтажные (строительные, судостроительные и пр.) портальные краны. Рабочим органом перегрузочных кранов является грейфер (для сыпучих грузов) или автоматическое захватное устройство (например, магнит или спредер). Обычно эти краны снабжают дополнительной крюковой подвеской. Для перегрузки сыпучих грузов из судов при устойчивом грузопотоке применяют краны с бункером на портале. Монтажные краны предназначены для работ с ответственными штучными грузами.

Основанием портального крана является портал. В зависимости от числа перекрываемых железнодорожных путей, различают одно-, двух- и трехпутные порталы. Во многих случаях портальные краны имеют несколько грузовых характеристик. Одна из них, максимальная, обеспечивающая переменную грузоподъёмность в зависимости от вылета, используется для перемещения крюком штучных грузов наибольшей массы, промежуточные грузовые характеристики предназначены для работы с различными грузозахватными приспособлениями (траверсами), а минимальная, постоянная на всех вылетах характеристика - грейферная. Таким образом, один кран может использоваться для различных операций. Система управления и автоматики крана обеспечивает защиту от перегрузки при работе на каждой характеристике.

Портальные доковые краны служат для выполнения работ внутри доков. Они перемещаются вдоль стенки дока по путям с очень малой колеёй. Устойчивость крана обеспечивают противовесами на поворотной части и при необходимости заливкой бетона в опоры портала. Помимо противоугонных захватов доковые краны снабжают противоопрокидывающими захватами, удерживающими кран при боковом ураганном ветре. Доковые краны проектируют с учётом крена и дифферента дока.

Портальные краны имеют механизмы подъёма, изменения вылета, поворота и передвижения. Передвижение крана - является установочным движением, остальные -рабочими, то есть выполняются с грузом при высоких скоростях его перемещения.

Механизм подъёма грейферных кранов представляет собой двухбарабанную грейферную лебёдку. В лебёдках портальных кранов расположение барабанов, как правило, параллельное и значительно реже соосное. Особым требованием к механизмам

подъёма монтажных портальных кранов является обеспечение нескольких скоростей подъёма. Это необходимо при монтажных операциях (пониженные посадочные скорости для точной установки груза) или при резком изменении массы груза от цикла к циклу (повышенные скорости подъёма и спуска грузов малой массы). Несколько скоростей движения можно получить, применяя специальные типы электропривода и управления. При этом возможно бесступенчатое (при использовании систем частотного управления, систем типа генератор-двигатель или тиристорного управления) или ступенчатое (при использовании двигателей с переменным числом пар полюсов) регулирование скорости. Несколько скоростей подъёма можно получить, используя подвески с переменной кратностью полиспаста или специальные лебёдки, позволяющие ступенчато изменять скорость. Перегрузочные крюковые краны оборудуют однобарабанной лебёдкой стандартной конструкции. Если грейферные краны, имеющие лебёдку с независимыми барабанами, работают в крюковом режиме, то при перегрузке штучных грузов поддерживающий и замыкающий канаты отсоединяют от грейфера и присоединяют к канатам, охватывающим блоки крюковой подвески, получая, таким образом, лебёдку с диффиренциальным полиспастом.

Изменение вылета совершается, как правило, в каждом цикле и существенно влияет на производительность крана. Рабочий характер изменения вылета определяет два важнейших требования к стреловым устройствам: стреловое устройство должно быть уравновешено относительно оси качания стрелы, что достигается с помощью подвижных противовесов; груз при работе механизма изменения вылета должен перемещаться по траектории близкой к горизонтали, тогда его потенциальная энергия будет меняться не значительно, и мощность привода механизма изменения вылета (при условии достаточно полного уравновешивания веса стрелового устройства) будет затрачиваться в основном на преодоление сил трения в шарнирах, давления ветра, горизонтальных сил при отклонении грузовых канатов от вертикали. Различают три типа стреловых устройств портальных кранов, обеспечивающих движение груза по траектории, близкой к горизонтальной, при работе механизма изменения вылета:

- краны с прямыми стрелами с переменной высотой подвеса груза. При уменьшении вылета одновременно с подъёмом точки подвеса груз опускается на канатах относительно этой точки (рис. 1.1, а).

- краны с шарнирно-сочленёнными стрелами с постоянной высотой подвеса груза, представляющими собой шарнирный механизм, в котором точка подвеса груза при изменении вылета перемещается по траектории, незначительно отклоняющейся от

горизонтали, а грузовые канаты движутся вдоль элементов стрелового устройства. Траектория груза эквидистантна траектории точки подвеса груза (рис. 1.1,6).

- краны с шарнирно-сочленёнными стрелами с переменной высотой подвеса груза (рис. 1.1,в).

По сравнению с сочленёнными стрелами прямые стрелы имеют более простую конструкцию и, в большинстве случаев, меньшую массу. Металлоконструкция прямой стрелы не испытывает кручения при пусках и торможениях механизма поворота. Однако для прямых стрел свойственны ограничение габарита груза под стрелой на малых вылетах, повышенная податливость и большая высота подвеса груза, обуславливающая его длительные колебания с большей амплитудой, которые приходится гасить многократными пусками и торможениями механизмов.

Сочленённые стрелы с прямым хоботом имеют меньшую высоту подвеса груза, большую жёсткость и допускают на малых вылетах размещение под стрелой грузов больших габаритов. При действии горизонтальных сил перпендикулярно плоскости

качания стрела испытывает кручение.

Для уменьшения нагрузок на механизм изменения вылета, обеспечения устойчивости крана и безопасности работы стреловые устройства портальных кранов уравновешивают подвижными противовесами. Различают следующие виды

уравновешивающих устройств:

- противовес на консоли стрелы, - обеспечивает полное уравновешивание прямой стрелы, у которой центр тяжести находится на постоянном расстоянии от своей оси качания (рис. 1.2, а);

а)

б)

Рис. 1.1 Схемы стреловых устройств

В)

- рычаг противовеса соединён со стрелой посредством шарнирной тяги (рис. 1.2, б). Обе указанные схемы обеспечивают полное уравновешивание только для прямых

стрел. Для сочленённых стрел оно не обеспечивается, так как вес стрелового устройства, приведённый к определённой точке стрелы, изменяется по вылету.

- устройство с шарнирным четырёхзвенником и противовесом на качающемся рычаге, - является достаточно универсальным. Данная схема распространена преимущественно на отечественных кранах (рис. 1.2, в).

- устройство с шарнирным шестизвенником (рис. 1.2, г).

В обоих схемах трудно обеспечить задний габарит поворотной части, что часто приводит к весьма сложным формам противовеса.

- подвесной противовес, движущийся поступательно, позволяет получить небольшие значения заднего габарита, используется два варианта его подвески:

- канат, на котором подвешен противовес, огибает криволинейный сектор; такая система не технологична, поэтому её применяют редко (рис. 1.2, д);

- канат подвесного противовеса прикреплён непосредственно к стреле (рис. 1.2, е). Однако в системах с подвесным противовесом следует отметить подверженность

каната усталостному изнашиванию и затруднения при обеспечении устойчивости поворотной части и крана ввиду того, что противовес находится на постоянном расстоянии от оси вращения.

с

v

О,

'я

П

а)

б)

в)

Механизмы поворота имеют обычную конструкцию с червячным или зубчатым редуктором, конической или многодисковой муфтой предельного момента и открытой зубчатой или цевочной передачей. Механизмы передвижения кранов состоят из приводных или неприводных тележек, объединённых системой балансиров. Тележки снабжены противоугонными захватами.

Скорости движений перегрузочных кранов находятся в пределах: подъёма - до 80 м/мин, изменения вылета - 50 м/мин. Частота вращения - 1,5-2 об/мин. Скорости движений монтажных кранов находятся в пределах: основного подъёма - 3-20 м/мин (меньшие значения скорости при больших значениях грузоподъёмности), изменения вылета - 8-20 м/мин. Частота вращения - 0,3-1 об/мин. Значения установочных (посадочных) скоростей составляют 0,02-0,05 значений основных скоростей. Скорость передвижения кранов - 12-33 м/мин [23].

В данной работе рассматривается портальный кран с шарнирно-сочлененной стреловой системой, которая обеспечивает траекторию движения груза близкую к горизонтали, с постоянной высотой подвеса.

1.2 МЕТОДИКИ РАСЧЁТА НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Исследования усталости металлов были начаты еще в середине XIX века в связи с зарождением железнодорожного транспорта [22]. Развитие исследований по изучению явления усталости металлов в последние годы можно охарактеризовать как разработку отдельных весьма важных аспектов данной проблемы. Из таких исследований следует отметить применение теории несовершенств реальных кристаллических тел для объяснения закономерностей возникновения усталостных трещин на микроскопическом уровне, разработку теории предельного состояния тел с усталостными трещинами, статистических теорий усталостного разрушения [2], теории циклической пластичности применительно к малоцикловой усталости [3], а также разработку методов оценки усталостного повреждения и кинетики его развития на основе исследования неупругости металлов [27].

Исследованиями усталости сварных конструкций занимались такие учёные, как Гохберг М.М., Труфяков В.И., Юшкевич В.Н., Клыков H.A.

Профессор Гохберг М.М. (ЛПИ им. М.И.Калинина) занимался вопросами прочности и долговечности сварных конструкций различного назначения. В 1953 г. М.М.Гохберг

первый в стране начал развивать новое научное направление - исследование усталостной прочности металлических конструкций грузоподъемных машин. Под его руководством был создан пульсатор инерционного действия для исследования сопротивления устал�