автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Прогнозирование показателей надежности механизмов изменения вылета при проектировании перегрузочных портальных кранов

: 1 я ? л

лжшгРАДсдал ордена трудового красного знамзни

ИНСТИТУТ ВОДНОГО ТРАНСТОРТА

На правзх рукописи

МАТВЕЕВА Елена Владимиревна

ПРОГНОЗИРОВАН® ПОсСАЗАТЕЛЗй НАДЕЖНОСТИ МЕХАНИЗМОВ ИЗМШЕНИЯ ЗШ1ЕТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ ШРТАЛЬНШ КРАЮВ

05.05.05 - Подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург - 1992

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени институте водного транспорта.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор Бра,уде В. И.

доктор технических наук, пройЬессор Длоугий В.В.,

кандидат технических наук, с.н.с. ' Ле Мерт 3 .Т.

- ордена Трудового Красного Замени завод подъемно-транспортного оборудования им.С.И.Кирова производственного объединения Ленпоцъемтрансмаш

•дО

Защита состоится «¿Р " 1992 г. в

час., в ауд. _ на заседании специализированного совет?

КПЗ.01.03 по присуждению ученой степени кандидата наук в Ленинградском институте водного транспорта (199035, С.-Петербург, ул.Двинская, 5/7, ЛИВТ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛИЗТа.

Автореферат разослан "¿Г" г.

Ученый секретарь специализированного совета КПЗ.01.03 кандидат технических наук, доцент

А.К.Минет

Г~3г~я "1 .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наиболее распространенным типом перегрузочных машин в портах, с подарю которых осуществляется основная часть перегрузочных работ, являются .универсальные портзлъныз краны. Поэтому проблема поЕшения грузооборота водного транспорта непосредственно связана с повышением надежности портовых перегрузочных кранов.

Современной технологией перегрузочных работ предусматривается все более интенсивное использование поцъемно-транс-портных машин. При интенсификации работы портальных кранов возрастает вероятность появления отказов, связанных с потерей статической и циклической прочностей элементов механизмов и металлоконструкций. Результаты обследований основных типов перегрузочных портальных кранов, работающих в речных портах СНГ, свидетельствуют о том, что отказы механизмов изменения вылета составляют в среднем 20% от общего количества отказов крановых мзханизмов, а время восстановления - около 30?. Отказы механизмэв изменения вылета создают в ряде случаев аварийные ситуации. Механические отказы являются наиболее длительными и тяжелыми. Поэтому в настоящей работе рассматриваются только отказы этого типа. Надежность механизмов изменения вылета определяется надежностью деталей и узлов этих механизмов. В связи с вышеизложенным определение надежности механизмов изменения выпета уравновешенных стрел на стации проектирования является актуальной задачей.

Целью работы является разработка метода

оценки надежности механизмов изменения выпета стрел при проектировании перегрузочных: портальных кранов.

Этот метод формируется на основе анализа статистических данных по отказам механизмов изменения вылета, с учетом результатов натурных тензотетрических испытаний. Предусматривается использование цифровой ЭЗЛ для определения показателей надежности ответственных элементов механизмов и металлоконструкций.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

1. Разработаны методы расчета показателей надежности механизмов изменения вылета и их элементов. При определении показателей надежности элементов учитывается совместное дей-• ствие случайных эксплуатационных нагрузок к нагрузок, выз-

ванных ударами в буфер, а также случайные процессы перемещения элементов.

Экспериментально исследовано влияние условий эксплуатации перегрузочного портального крана на нагрузки, воздействующие на механизмы изменения вылета стрел.

3. Разработан пакет прикладных программ на алгоритмическом языке ФОРТРАН- 1У, позволяющий оценивать показатели надежности механизмов изменения вылета и их элементов на стадии проектирования портальных кранов.

Научная новизна. СЪздан метод оценки надежности механизмов изменения вылета уравновешенных стрел перегрузочных портальных кранов, предусматривающий учет совместного действия случайных процессов нагрууения (эксплуатационных нагрузок), случайных экстремальных нагрузок, а также

случайных процессов вращения элементов.

При этом принимается во внимание рассеяние несущих способностей элементов механизмов и металлоконструкций.

Методы исследования. В работе использовались прикладные методы теории случайных Функций, теории вероятностей, методн статистической динамики, методы статистического анализа результатов эксперимента.

Практическая ценность. Разработаны программы по расчету показателей надежности валов, зубчатых колес, «таялоконструкции рейки по статической к циклической прочностям, с помощью которых на стадии проектирования может прогнозироваться надежность элементов и всего механизма изменения вылета стрелы.

Эти программы реализованы на цифровой ЭВМ в целях использования в инженерной практике.

Промышленная реализация работы. Методы определения надежности механизмов изменения вылета стрел и юс элементов и программы расчета на цифровой ЭШ использованы в целях развития "Технических условий на проектирование портальных кранов", которые используются при проектировании новых машин заводом ПТО им.С.М.Кирова ПО Ленподъемтрэнсмаш.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили положительную оценку на ХУЛ, МП, ХХ1.У конференциях молодых научных работников и аспирантов Ленинградского института водного транспорта соответственно в 1983, 1987 и 1988 гг.

Результаты работы использованы в научно-исследователь-

ских работах Ленинградского института водного транспорта "Исследование нагрузок и путей повышения эффективности портовых перегружателей и кранов" (У' гос. регистрации 01.85.0043035}.

Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех гнав, заключения, списка литературы и восьми приложений. Содержит 185 страниц машинописного текста, 18- табл., 13 рис., список литературы из 115 наименований на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертации, дан обзор литературы, посвященной методам расчетз перегрузочных портальных кранов, расчета надежности их элементов и механизмов. Отмечается, что в настоящее время в подъемно-транспортном машиностроении начали использоваться вероятностные методы расчета нагрузок и показателей надежности механизмов и их элементов. В то же время отсутствует метод оценки надежности механизмов и их элементов с .учетом особенностей их конструкции и работы.

Так, спецификой работы механизма измзнения вылета является композиция процессов нагружения, связанных со случайными процессами нагружения в нормальных эксплуатационных условиях и экстремальными нагрузками, вызванными ударами в концевые буферные устройства.

Разработка метода оценки надежности механизма изменения

вылета уравновешенных- стрел является целью данной диссертационной работы.

Первая глава посвящена обоснованию необходимости выбора для оценки надежности механизмов изменения вылета стрел на стадии технического проектирования перегрузочных портальных кранов следующих показателей надежности: средней наработки на отказ То , среднего времени восстановления Jq и вероятности безотказной работы р(ii) пля ответственных деталей.

Мехачизм изменения вылета - восстанавливаемая система. Наиболее "тяжелые" отказы механизмов изменения вняета стрел связаны с потерей циклической и статической прочностей его элементов. Поэтому расчет надежности механизма и его элементов ведется по условию сохранения циклической и статической прочностей.

Элементы механизма изменения вылета стрел целесообразно разделить на два класса:

1. Элементы, отказ которых может иметь аварийные последствия. К ним относятся валы, зубчатые колеса, подшипники и т.д. Наиболее важной расчетной характеристикой элементов атого класса является вероятность безотказной работы pfé)

2. Элементы, отказ которых влечет за собой только экономические потери. Зо многих случаях в качестве основного расчетного показателя надежности этих элементов принимается средняя наработка до отказа Тер . ■

Для оценки надежности проектируемых- механизмов изменения Еылетз стрел необходимы:

расчет надежности элементов этих механизмов с учетом распределений случайных внешних нагрузок и несущей способности;

данные о надежности элементов-аналогов, находящихся в эксплуатации.

В связи с этим элементы механизмов изменения вылета таядеядатся на две группы.

Показатели надежности элементов первой группы определяют расчетным путем. Надежность элементов второй группы определяют по элементам-аналогам, работающим в составе других портальных кранов, по которым имеются статистические данные.

'Л элементам первой группы относятся валы, зубчатые колеса, подшипники, металлоконструкция рейки. Их отказы связаны с потерей статической и циклической прочностей.

Отказ из-за превышения нагрузкой опасного уровня мотет возникнуть в связи с разрушением или недопустимо большой деформацией элементов. При этом для определения надежности необходида знать вероятностные характеристики процессов на-грукения и значения предельного уровня нагрузки. Отказ из-за потери циклической прочности возникает в связи с накоплением усталостных повреждений и образованием микроскопических трещин в элементе.

Статистические обследования, проводимые при участии автора в речных портах лабораторией грузоподъемных машин Ленинградского института водного транспорта, позволили выявить наиболее характерные отказы механизмов изменения вылета уравновешенных сгреп и определить их показатели надежности.

Для оценки надежности механизмов перегрузочных порталь-

нюс кранов возможно проведение стендовых испытаний. Однако этот вопрос должен явиться темой самостоятельного исследования и в данной работе не рассматривался.

Во второй главе приводится обобщенная модель механизма изменения вылета стрелы в пиле ориентированного графа, сообщаются результаты натурных тензометри-ческих испытаний портального крана, целью которых является исследование влияния условий эксплуатации на нагрузки механизмов изменения вылета, а также определение законов расппе-леления эксплуатационных нагрузок.

3 обобщенной модели механизма изменения вчлзтз стрелы учитываются условия эксплуатации крана Л ■ Лл - тип перегружаемого груза, Хв - вероятностные характеристики распределений относительной кассы одного подъема, Л/з технологический вариант работы перегрузочного портального крана, Лг - квалификация крановщика, Х^ - уровень технической эксплуатации перегрузочного портального крана, Х$ - зэроятностнге характеристики распределений количеств часов работы в год механизма изменения вылета стрелы, -климатические воздействия на портальный кран), конструктивный особенности механизма изменения вылета М , управляющие воздействия У , характеристики процессов перемещения элементов механизма изменения вылета 2 , условия изготовления механизма изменения вылета Ц,

.^9ждый элемент обобщенной модели .механизма изменения вылета может быть представлен в виде множества. Множества то гут быть составлен« раздиччш образом. 3 работе принят вариантный метод.

Анализ отказов портальных перегрузочных кранов показал, что значительная их часть вызвана недостаточным учетом в расчетах особенностей эксплуатации, конструкторских решений, условий изготовления.

Эти Факторы выделены в отдельную группу, опозпелены возможные сочетания элементов множеств Ц./М) ХлХе», Хг, Х^ Х^ и рассчитаны вероятности сочетаний элементов множеств. Зояможные сочетания элементов множеств образуются в результате прямого перемножения множеств:

... | Хапа ; ..¿тм №

'¡ПН

^ А

4-{

^ждэму элементу множеств Ха; Хь; ^г, Хд X* со~ ответствует сюя вероятность реализации, которая должна учитываться при оценке надежности.

Здесь 6 ~ ступенчатая функция ,

0 , фактор не рассматривается

1 , фактор рассматривается.

При натурных тензодатрических испытаниях портального крана КПП 10 30 нагрузки в механизме изменения вылета стрелы определялись при различных сочетаниях Факторов. Наибольшие эквивалентные нагрузки 5экЬ определились при работе крановщика Ш разряда ( Хг^ ) на навалочном грузе ( Ха{ ) по технологическому варианту склад - склад ( Х^ ) при среднем уровне технической эксплуатации ( ^ )•

Это сочетание факторов представлено в виде множества:

Вероятность появления этого множества ( ) доста-

точно велика.

3 результате обработки осциллограмм натурного тензо-метрического испытания перегрузочного портального крана установлено, что закон распределения эксплуатационных нагрузок - усеченный нормальный.

3 дальнейшем расчет показателей надежности механизма изменения вылета проводился для сочетания •Ъакторов

Известно, что чем выше качество изготовляемой детали, тем меньше коэффициент вариации его чесупей способности. 3 работе рассмотрен вопрос о влиянии дисперсии несущей способности элементов механизмов изменения вылета стрел на коэффициент запаса по циклической прочности. Установлено, что при увеличении коэффициента вариации предела выносливости с 0,05 до 0,<1 коэффициент запаса по циклической прочности возрастает в 2,8 раза.

В третьей главе приведены методы расчета надежности наиболее ответственных элементов механизмов изменения вылета уравновешенных стрел.

Отказы валов механизмов изменения вылета дагут быть вызваны действием эксплуатационных и экстремальных нагрузок.

Расчет показателей надежности валов велется по условиям сохранения циклической и статической проччостей.

Расчет показателей надежности валов по условию сохранения статической прочности имеет следующие особенности: учитывается корреляция между всеми видами деформаций, рассматриваются случайные процессы изменения эксплуатационных нагрузок и угла поворота вала, а таете случайные нагрузки, вызванные ударами в буфер.

Расчетная вероятность безотказной работы вала по условию статической прочности рс(Ь) определяется по формуле:

РсИ)^ Рс,Н)- рс^(-Ь)

где РСД) - вероятность безотказной работы вала, рассчитываемая с учетом случайных процессов эксплуатационных нагрузок и угла поворота вала;

- вероятность безотказной работы вала, рассчитываемая с учетом ударов в буфер.

Вероятность безотказной работы определяется

по формуле:

Л1 осел

где

ОС <&] - дисперсия суммарного напряжения ¿м , определяемого по зависимости:

Здесь В(~Ь) - случайный процесс изменения нагрузок в

рейке;

- случайный процесс изменения угла поворота вала;

- передаточные функции, связывающие осевую нагрузку, изгибающий и крутящий моменты с соответствующими напряжениями;

ОМ- дисперсия несущей способности вала;

- средняя частота суммарного процесса &• Средняя частота суммарного процесса С?с (Ъ.) находится по отношению корреляции функций для случайного процесса

и процесса ^ (¿) ;

С0 - нормирующий коэ<Иициент;

- время оаботы механизма. Вероятность безотказной работы рсл("6) определяется по зависимости:

/У 1пгС1м

Зде

сь Ру. ¡éj - вероятность того, что за время ~é произойдет f/i ударов в буфер;

- плотность распределения величины L , гпе - $0SÍ f <S„ - несущая способность вала, 5/ " нагрузки, возникающие при ударе в буфер);

Lma.x ~ максимальное значение величины L . Средний ресурс вата по статической прочности "Тсрс. определяется с учетом возможности отказа под действием зксп-

луатационных и экстремальных: нагрузок.

В механизме изменения вылета преобладают разрушения, вызванные недостаточной циклической прочностью. Вероятность безотказной работы вала по условию циклической прочности Р^кЬ) определяется с помзпр>ю порогового предела выносливости, равного эквивалентному напряжению. Средний ресурс вала по условию циклической прочности Т°Рц> определяется с учетом совместного действия касательных и нормальных на-прягений в расчетных сечениях валов.

Отказы зубчатых колес механизмав изменения вылета уравновешенных стрел происходят под действием эксплуатационных и экстремальных нагрузок, вызванных ударами в буфер. При расчете показателей надежности зубчатых кокес учитывается возможность отказов, вызванных изгибом зубьев и недостаточной контактной прочностью. Расчет производится по статической и циклической прочностям.

Разработан метод оценки вероятности безотказной работы и среднего ресурса с использованием зависимостей между нагрузками и напряжениями, приведенными в ГОСТе 21354-87.

Далее в главе приводятся основные зависимости для расчета показателей надежности подшипников и металлоконструкции рейки.

Отказы механизмов изменения вылета стрел фиксировались при сборе статистических данных в эксплуатационных условиях. Статистические наблюдения проводились в двадцати речных и юрских портах сотрудниками лаборатории грузоподъемных машин при участии автора. Под наблюдением находилось 110 перегрузочных портальных кранов. Всего зафиксировано 910

гказоз.

Расчетные показатели надежности и показатели надежно-ги ответственных элементов, полученные при статистической зработке результатов, удовлетворительно сходятся. Так, ^едние ресурсы валов различаются на 25^, металлоконструк-(й - на 185?, зубчатых колес - на 22^, что подтверждает сожесть результатов расчетов и статистических данных.

3 четвертой главе приводится обо-гавание жтодики расчета надежности механизмов изменения ¿лета уравновешенных стрел, алгоритмы и структурные схемы гсчета показателей надежности элементов.

Механизм изменения вылета стрелы перегрузочного портного крана, как правило, - система с последовательным »единением элементов между собой.

Доказывается, что при оценке нижнего уровня надежности (ханиаи южно рассматривать как систему с независимыми ге ментами. В этом случае расчеты показателей надежности (ханизма изменения вылета упрощаются и используются известие зависимости для определения надежности систем с последо-ггельным соединением элементов.

Приводятся структурные схемы и алгоритмы расчета пока-[телей надежности элементов механизмов изменения вылета, 'каз которых дажет привести к аварийным последствиям. СЗор-:рованы программы расчета показателей надежности валов и ■бчатых колес, металлоконструкции рейки по статической и :клической прочностям.

Всего разработано шесть 'программ расчета элементов ханизмов изменения вылета:

программа расчета вероятности безотказной работы валов по условию статической прочности;

программа расчета среднего ресурса и вероятности безотказной работы валов по условию циклической прочности;

программа расчета вероятности безотказной работы зубчатых колес по условию статической прочности;

программа расчета среднего ресурса зубчатых колес; программа расчета вероятности безотказной работы зубчатых колес по условию циклической прочности;

программа расчета среднего ресурса металлоконструкции рейки.

Надежность механизмэв изменения вылета вычисляется интерактивным методом. Показатели надежности ответственных элементов определяются расчетными методами с использованием ЭВМ, а показатели надежности остальных элементов - на базе статистических данных по надежности элементов-аналогов. Оцен ка надежности всего механизма выполняется по аналитическим зависимостям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе теоретических и экспериментальных исследований, а также статистических обследований в диссертации разработан метод оценки надежности механизмов изменения вылета уравновешенных стрел при проектировании перегрузочных портальных кранов. Ниже приводятся основные результаты работы.

1. Впервые создана интерактивная методика, с помощью которой возможна оценка надежности механизмэв изменения вы-

лета уравновешенных стрел портальных крзнов. При этом определяется нижняя граница надежности всего механизма изменения вылета уравновешенной стрелы на основе расчета на ЗЗМ показателей надежности ответственных элементов, на базе статистических данных по надежности элементов-аналогов, с учетом известных и апробированных методик расчета надежности ряда элементов.

¿. Разработаны методы расчета показателей надежности ответственных элементов механизмов изменения вылета стрел по условиям сохранения статической и циклической прочностей с учетом особенностей работы механизмов, заключающихся в композиции двух видов нагружения (случайного процесса изменения эксплуатационных нагрузок и ударов в буфер). Учитываются случайные процессы перемещения элементов.

3. Подтверждена допустимость применения усеченных нормальных законов распределения эксплуатационных нагрузок в расчетах показателей надежности механизмов изменения вылета стрел.

Это выполнено на основе статистической обработки по текущим и экстремальным значениям ординат случайных процессов нагружения механизма изменения вылета перегрузочного портального крана, работающего в различных эксплуатационных условиях .

4. Составлена обобщенная модель механизма изменения вылета стрелы, позволявшая при расчетах оценивать вероятность возникновения различных сочетаний условий эксплуатации и определять показатели надежности механизма с учетом сочетаний этих событий.

В результате анализа различных условий эксплуатации доказано, что наиболее неблагоприятные их сочетания возникают с вероятностью р=0(0£

5. По результатам статистического обследования перегрузочных портальных кранов установлен перечень элементов механизма изменения вылета, лимитирующих его надежность.

Определены показатели надежности ряда характерных для этого механизма элементов.

о. Определено влияние разброса несущей способности элементов на коэффициенты запаса по условию циклической прочности .

Установлено, что при увеличении коэффициента вариации предела выносливости элемента 17" с 0,05 до 0,2 , коэффициент запаса по условию циклической прочности должен быть увеличен в 2,8 раза.

7. Разработан пакет ппикладных программ расчета показателей надежности ответственных элементов валов, зубчатых колес, металлоконструкции рейки. Расчет показателей надежности проводился на ЭВМ СМ-1420.

Разработанный метод оценки надежности механизмов изменения вылета стрелы передан на завод ПТО им.С.М.Кирова (вместе с шестью программами расчета показателей надежности элементов) для использования при проектировании новых портальных перегрузочных кранов.

8. Использование предлагаемого метода расчета надежности элементов механизмов изменения вылета уравновешенных стрел и механизма изменения вылета в целом при проектировании перегрузочных портальных кранов позволяет получить годо-

вой народнохозяйственный эффект 3500 рублей по одному крану, эксплуатируемому на перегрузке навалочных грузов в речных портах.

Основные положения диссертации опубликованы з работах:

1. Матвеева 2.3. Алгоритм прогнозирования показателей надежности механизма изменения вылета при проектировании портального крана//Обеспечение судоходных условий на свободных и шлюзованных участках рек и работа транспортного флота: Об .науч.тр. ЛИЕГГа. - Л., 1983. - 0.72-81.

2. Матвезва 2.В. Расчет показателей надежности валов механизма изменения вылета по статической и циклической прочностям при проектировании перегрузочных портальных кранов //Повышение пропускной способности портовых и судоходных сооружений: S6.науч.тр. ЖВТа. - Л., 1987. - 3.132-145.

3. Матвеева 3.3. Расчет надежности зубчатых колес механизмов изменения вылета по статической и циклической прочно-стям//Автоматизация электрооборудования судов, портов и гидротехнических сооружений: Сб.науч.тр. ЛЙЗТа. - Л., 1988. - С.53-71,

4. Матвеева 3.3. Расчет надежности мехзнизма изменения вылета перегрузочного портального крана//Энергетика и управление на годном транспорте: Об.науч.тр. ЛМЗГа. - Л., 1969. -С. 12-15.

Ъгпу^

Отпечатан на ротапринте ЛИЗТа Заказ 30 Тир. 100 8.10.92. Бесплатно