автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики оптимального проектирования металлоконструкции автомобильного подъемника револьверного типа многоуровневой автостоянки

4844462

Быстрое Евгений Олегович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ПОДЪЕМНИКА РЕВОЛЬВЕРНОГО ТИПА МНОГОУРОВНЕВОЙ АВТОСТОЯНКИ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 АПР 2011

Москва - 2011

4844462

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вершинский A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гришин Д.К. кандидат технических наук, доцент Клашанов Ф.К.

Ведущее предприятие: ОАО «НПК «Уралвагонзавод»

Защита диссертации состоится 16 мая 2011 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.07 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д. 5.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан "_"_2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

СарачЕ.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автомобильные парки крупных городов намного превышают количество доступных мест для парковки. В Москве ежегодно появляется более 200 тыс. новых автомобилей. В настоящее время в Москве эксплуатируется около 4 млн. легковых автомобилей, из которых на улицы города ежедневно выезжает около 900 тыс. В последние годы резко обострилась проблема временного размещения автотранспортных средств населения, прибывающего в различные зоны города к объектам массового посещения. Беспорядочно припаркованные автомобили препятствуют проезду транспорта и движению пешеходов. Снижается уровень безопасности и комфорта, ухудшается экологическая обстановка. Автомобили, не обеспеченные организованными местами хранения, занимают примерно 2,5 тыс. га благоустроенных городских территорий. Перегруженность магистралей Москвы достигла предельных величин, особенно в центральных районах города, где более 90 % протяженности магистральных улиц уже исчерпали свою пропускную способность.

Рост автомобильного парка в крупных городах делает необходимым широкое строительство средств компактного хранения автотранспорта. Поставленная задача по организации культурного хранения и парковки автотранспорта решается комплексно. В том числе при помощи строительства новых многоэтажных автостоянок или замене ими одноэтажных. Многоэтажные автостоянки и гаражи эффективны тем, что позволяют максимально использовать земельный участок, защищают автотранспорт от осадков и угонов. Многоэтажные автостоянки призваны увеличить общественную активность в местах их размещения.

Современные многоэтажные автостоянки и гаражи имеют множество вариантов исполнения: надземные, подземные, немеханизированные, механизированные и всевозможные их комбинации. Выбор варианта зависит от многих условий, важнейшим из которых является наименьшая себестоимость одного машиноместа. На неё влияют площадь и объем, приходящиеся на одно машиноместо, а также затраты на устройства (подъёмники) для перемещения автомобилей на территории автостоянки.

Известно несколько различных типов автомобильных подъёмников: лифтового, элеваторного, револьверного (барабанного, карусельного) и др. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Выбор варианта подъёмника зависит от многих условий: объема, занимаемого подъёмником на автостоянке, производительности, удобства в эксплуатации и др. Одним из перспективных подъёмников для механизированной автостоянки является автомобильный подъёмник револьверного типа (АПРТ). Экономический эффект от использования АПРТ в значительной степени определяется оптимизацией его металлоконструкции (МК).

Цель работы: разработать методику оптимального проектирования МК АПРТ на основе численных исследований с учетом ограничений по несущей способности и деформативности.

Задачи работы:

1. Обосновать и разработать расчетные схемы МК АПРТ.

2. Сформулировать экономически оправданный критерий оптимального проектирования МК АПРТ.

3. Обосновать метод оптимизации и модифицировать его применительно к проектированию МК АПРТ.

4. Разработать методику оптимального проектирования МК АПРТ и практические рекомендации по ее применению.

5. Провести сравнительный анализ структурных вариантов АПРТ и их параметрическую оптимизацию.

6. Сформулировать рекомендации по разработке нормативных документов по механизированным автостоянкам применительно к АПРТ.

Методы исследования. В работе использовались известные методы: теоретической и строительной механики, методы компьютерного моделирования, аналитические и численные методы анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) МК, метод декомпозиции, метод последовательного квадратичного программирования.

Научная новизна:

- Обосновано применение новой конструктивной формы автомобильного подъёмника револьверного типа (АПРТ) на основе имитационного моделирования движения потока автомобилей на многоуровневых автостоянках и расчета экономического эффекта от её внедрения.

- Выявлены необходимые для проектирования расчетные схемы МК АПРТ с определением действующих на нее нагрузок на основе разработанных компьютерных моделей основных сборочных единиц и численных исследований НДС МК с построением окружностей влияния максимальных эквивалентных напряжений.

- Разработана методика оптимального проектирования МК АПРТ на основе применения метода декомпозиции, критерия оптимальности - приведённых затрат на перегрузку одного автомобиля - и дополняющей САПР Pro/Engineer программой проверки ограничений по несущей способности и деформативности МК, способствующей более точному проведению многопараметрической оптимизации структурных вариантов основных сборочных узлов МК АПРТ методом последовательного квадратичного программирования в расчетном модуле Pro/Mechanica. Методика позволяет наиболее эффективно синтезировать элементы МК с учетом таких особенностей как: стоимость материалов и приводных механизмов, их срок службы, эксплуатационные расходы и трудоемкость изготовления.

Практическое значение результатов работы

Разработанная методика позволяет на стадии проектирования МК АПРТ наилучшим образом синтезировать сборочные узлы, определять НДС и оптимальные размеры поперечных сечений элементов. Применение результатов работы дает возможность сократить во времени процесс проектирования МК АПРТ. Данную методику целесообразно использовать в составе САПР при проектных и научно-исследовательских работах по разработке АПРТ.

Достоверность обеспечивается обоснованным выбором расчетных схем, принятием допущений при численных исследованиях НДС МК, решением тестовых задач.

Апробаиия: Основные положения докладывались и обсуждались на: кафедре «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана; ежегодных московских международных научно-технических конференциях; специализированных выставках «Подъемно-транспортная техника и технологии» в г. Екатеринбурге в 2007 г., в г. Москве в 2008, 2009, 2010 гг. и г. Санкт-Петербурге в 2007 г.

Реализация работы: методика оптимального проектирования и результаты теоретических исследований путей снижения приведённых затрат на изготовление и эксплуатацию МК АПРТ, изложенные в работе, были приняты к использованию на ОАО «НПК «Уралвагонзавод», ЗАО «НПГ ПАРСЕК» и в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Работа содержит 279 страниц машинописного текста, в том числе 34 таблицы, 81 рисунок, список литературы (106 наименований) и 4 приложения на 89 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации и общую характеристику работы.

В первой главе представлен обзор конструкций механизированных многоэтажных автостоянок, дано подробное описание новой конструктивной формы АПРТ (патент №2304206 РФ) и принципа его работы, сравнение вариантов автостоянок по удобству в эксплуатации, включающее имитационное моделирование движения потока автомобилей на автостоянках. Доказано, что АПРТ имеет выше производительность по подъему автомобилей по сравнению с автомобильным подъёмником лифтового типа, т.к. в его работе отсутствуют холостые ходы и возможна одновременная погрузка (выгрузка) нескольких автомобилей.

Произведен расчет экономического эффекта от внедрения 2-х АПРТ на трехэтажную автостоянку вместо рамп. Эффект выражается в высво-

бождении дополнительных машиномест от 21 до 161 в зависимости от типа заменяемой рампы.

В главе представлен анализ работ, посвященных решению задач оптимального проектирования. Основным принципам оптимального проектирования технических систем посвящены работы таких ученых как: Борисов В.И., Орлов П.И., Кобзев А.П., Хилл, Янсон P.A., Демокритов В.Н., Пихтарников Я.М., Берадзе A.A., Недоводеев В.Я., Позынич К.П., Пылаев O.A., Серлин Л.Г., Сивоглазов A.C., Тимашов С.П., Гилл П.И., Реклейтис Г. и др.

Создание многоярусных автостоянок с АПРТ в центральной части многих российских городов является одним из перспективных путей решения задачи цивилизованного хранения автомобилей, отвечающих современным международным стандартам. Важным этапом решения этой задачи является разработка методики оптимального проектирования МК АПРТ. Анализ литературных источников показывает, что проблемы оптимального проектирования конструкций недостаточно изучены, несмотря на большое число работ в этой отрасли знаний. Отсутствует методика оптимального проектирования МК АПРТ.

Для получения наиболее полной информации о НДС МК узлов удобным является метод конечных элементов (МКЭ).

На основании вышеизложенного были поставлены цель и задачи настоящей работы.

Вторая глава посвящена основным положениям методики оптимального проектирования МК АПРТ (рис. 1). Обоснованно заданы наиболее важные параметры АПРТ (высота подъема автомобилей и габариты «люльки»), учитывающие такие характеристики перемещаемых автомобилей как: масса (до 2500 кг), длина (до 5 м), ширина (до 2 м) и высота (до 2 м). Максимальные значения указанных характеристик определены по итогам анализа модификаций современных легковых автомобилей. В главе проведен анализ конструкции АПРТ с точки зрения оптимального проектирования. Установлено, что имеется множество подходов к оптимальному проектированию, каждый из которых вносит свои особенности оптимизации. Для наиболее эффективного решения задачи оптимального проектирования МК АПРТ применен метод декомпозиции. Рассмотрено движение информационного потока между сборочными узлами АПРТ («люлька», «барабан» и «несущая конструкция») в процессе оптимального проектирования.

Расчет МК АПРТ должен проводиться в соответствии с нормативными документами. Однако сегодня в России отсутствуют нормативные документы применительно к механизированным автостоянкам. Безусловно, такие документы должны быть созданы. На начальных этапах проектирования новой конструктивной формы АПРТ можно воспользоваться нор-

мативными документами для конструкций, работающих в аналогичных условиях. Достаточно близкой к конструкции АПРТ является конструкция лифта. В работе проводилось проектирование АПРТ в соответствии с некоторыми рекомендациями «Правил устройства и безопасной эксплуатации лифтов».

Рис. 1. Автомобильный подъёмник револьверного типа: а - трехмерная модель: 1 - «люлька», 2 - «барабан», 3 - «несущая конструкция», 4 -автомобиль; б - кинематическая схема привода люлек: 1 - кольцо барабана, 2 - кольцо люльки, 3 - большая звездочка сателлита, 4 - вал сателлита, 5 - маленькая звездочка сателлита, 6 - неподвижное цевочное колесо, 7 - пластина креста, di, ёг, Dnap - диаметры звездочек сателлита и неподвижного цевочного колеса соответственно, pi - угол расположения места крепления сателлита

В главе рассмотрены сочетания нагрузок и расчетные случаи нагру-жения МК сборочных узлов. Установлено, что для расчета МК АПРТ необходимо рассматривать следующие сочетания нагрузок: нормальная эксплуатация (разгон и торможение вращения «барабана»), заезд автомобиля на платформу, статическое испытание привода, статическое испытание МК. Определены нагрузки и коэффициенты динамичности с использованием рекомендаций, применяемых при проектировании подъёмников.

Сборочный узел «люлька» может иметь различную геометрическую конфигурацию. Важным параметром «люльки» является угол фл от вертикальной плоскости, под которым располагаются ее колеса (рис. 2). От этого угла зависит значение реакций в этих колесах, которые, в свою очередь, нагружают кольца «барабана».

Были разработаны расчетные модели МК сборочных узлов «барабан» и «люлька» в программе Pro/Engineer (рис. 3 а, б). Проведено исследование усилий взаимодействия этих узлов с построением окружностей влия-

а

б

ния максимальных эквивалентных напряжений в группе элементов «кольцо барабана» (совокупность всех стержневых элементов, идеализирующих 8 колец «барабана») в зависимости от угла поворота «барабана» \|/б для ряда значений угла срл (рис. 4). Для определения НДС МК использо-

Рис. 2. Схема нагрузок на «люльку» во время вращения «барабана»: Fa - сила тяжести автомобиля, Fan, Fat - нормальная и тангенциальная силы инерции, ц.м.а. - центр масс автомобиля, dB2, dL - смещения ц.м.а. на платформе, \|/6 - угол поворота «барабана», D„ - диаметр цевочного колеса «люльки», di, d2 - конструктивные зазоры, L - длина

Рис. 3. Схемы расчетных моделей сборочных узлов АПРТ: а - «барабан»: 1 - кольцо барабана, 2 - длинная продольная связь, 3 -внешние раскосы, 4 - стойка, 5 -внешняя поперечная связь, 6 - короткая продольная связь, 7 - внутренние раскосы, 8 - внутренняя поперечная связь, 9 - пластина креста, 10 - зубчатое колесо, 11 - стакан подшипника; б - «люлька»: 1 - крепление ролика, 2 - ось ролика, 3 - кольцо люльки, 4 - продольная связь, 5 - осевое соединение кольца, 6 - радиальное соединение кольца, 7 - платформа,8 - концевая балка, 9 - крепление колеса, яа - распределенная нагрузка от веса автомобиля, \|/б - угол поворота «барабана»

Было определено оптимальное значения угла фл, равное 35 град., при котором возникают наименьшие максимальные эквивалентные напряжения в группе элементов «кольцо барабана» для всех расчетных случаев.

Платформа сборочного узла «люлька» может занимать только горизонтальное положение. При этом, во время вращения «барабана»

го. МПа

— фл=50

\|/б, град.

Рис. 4. Окружности влияния максимальных эквивалентных напряжений в группе элементов «кольцо барабана»

места зацепления звездочек сателлитов с кольцами «люльки» изменяют свои положения и изменяются напряжения в элементах МК «люльки».

Были построены окружности влияния максимальных эквивалентных напряжений для каждой группы элементов и перемещений характерных узлов МК «люльки» в зависимости от угла поворота «барабана» (рис. 5). В качестве подобных узлов приняты край платформы и цевочное зацепление на кольце, изменяющее свое положение. В качестве групп элементов выступают крепление ролика, кольцо люльки, продольная связь, платформа, концевая балка и др. (рис. 3 б). Для определения НДС МК использовался модуль Рго/МесИашса.

аэ, МПа 225

— Соединение кольца радиальное

— Соединение кольца осевое

— Продольная связь Крепление колеса

• ■■Крепление ролика

— Ось ролика

— Поддон

— Кольцо люльки

— Концевая балка

5, мм О

-5

-10

-15

- Вертикальное перемещение края платформы

Осевое

перемещение узла зацепления кольца

- Радиальное перемещение узла зацепления кольца

О 90 180 270 уб, град.

а

О 90 180

270 Ч"э,град. б

Рис. 5. Окружности влияния: а - максимальных эквивалентных напряжений в группах элементов «люльки», б - перемещений в узлах «люльки»

По результатам исследования установлено, что для расчета МК «люльки» и для проверки выполнения всех ограничений необходимо рассматривать 7 различных расчетных случаев нагружения.

Сборочный узел «барабан» может занимать любое положение при его вращении. Кроме того, автомобили могут размещаться на платформах с различным смещением как вдоль, так и поперек платформ.

Были построены окружности влияния максимальных эквивалентных напряжений для каждой группы элементов и перемещений характерных узлов МК «барабана» в зависимости от его угла поворота (рис. 6) для всех возможных случаев расположения автомобилей на платформах. В качестве групп элементов выступают кольцо барабана, пластина креста, внешние и внутренние раскосы и др. (рис. 3 а). В качестве исследуемых выступают узлы, перемещения которых влияют на изменение межосевого расстояния в цевочной передаче. На рис. 6 обозначены расчетные случаи

а б

Рис. 6. Окружности влияния: максимальных эквивалентных напряжений в группах элементов: а - пластина креста, б - внешние раскосы, в -внутренние раскосы; г - изменения межосевого расстояния в цевочной передаче

По результатам исследования установлено, что для расчета МК «барабана» и для проверки выполнения ограничений необходимо рассматривать 10 различных расчетных случаев нагружения.

Сборочный узел «несущая конструкция» (рис. 7) во всех случаях сочетаний нагрузок располагается неподвижно относительно его основания. Во время вращения «барабана» с автомобилями нагрузка на «несущую

конструкцию» изменяется. Это связано с тем, что изменяется крутящий момент на приводе, а также изменяются положения и направления векторов сил в цевочных зацеплениях. Нагрузка также зависит от количества автомобилей, находящихся на АПРТ.

Были построены окружностей влияния максимальных растягивающих и сжимающих напряжений для каждой группы элементов и перемещений характерных узлов «несущей конструкции» в зависимости от угла поворота «барабана» (рис. 8). В качестве групп элементов выступают главная балка, опорная стойка, цевочное колесо и др. (рис. 7 б). В качестве характерных узлов приняты узлы цевочных зацеплений, крепления привода и «барабана». В итоге сделан вывод, что для расчета «несущей конструкции» и для проверки выполнения ограничений необходимо рассматривать

Рис. 7. Сборочный узел «несущая конструкция»: а - схема нагрузок во время вращения «барабана»; б — стержневая модель: 1 - затяжка, 2 - узел зацепления звездочки сателлита, 3 - главная балка, 4 - горизонтальная опора, 5 - стакан подшипника, 6 - звезда, 7 - цевочное колесо, 8 -соединение цевочного колеса, 9 - портал, 10 - опорная стойка, Руь РУ2, 1 ред> Мред- внешняя нагрузка

АПРТ может иметь множество вариантов исполнения. Были классифицированы варианты, отличающиеся по существенным признакам: места расположения привода, вида поперечных сечений элементов, количества закреплений и марок материалов.

Наиболее общий показатель эффективности конструкции - приведённые затраты на изготовление и эксплуатацию, отражающие все особенности принятого конструктивного решения. Поскольку АПРТ является специальной грузоподъемной машиной и предназначен для перемещения автомобилей, то целесообразно приведённые затраты отнести к общему количеству автомобилей, перегружаемых АПРТ за весь его срок службы.

а б

Рис. 8. Окружности влияния максимальных растягивающих и сжимающих напряжений в группах элементов: а - кольцо цевочного колеса, б -главная балка

В качестве окончательного критерия эффективности конструкции приняты приведённые затраты на перегрузку одного автомобиля:

П^П/СИа.год-Тсл), П=С„+Ки+Сэ-Тсл+Кэ, (1)

где П]а - приведённые затраты на перегрузку одного автомобиля; П - приведённые затраты на изготовление и эксплуатацию АПРТ; Ка.год - количество автомобилей, перегружаемых АПРТ в год; Тс - срок службы АПРТ; Си - стоимость изготовления АПРТ; К„, Кэ - капитальные затраты в сфере изготовления и эксплуатации АПРТ; Сэ - годовые эксплуатационные расходы на АПРТ.

Однако такой критерий является неудобным для непосредственной минимизации. Поэтому помимо окончательного критерия оптимальности, установлены еще два рабочих критерия, которые выражают стоимость изготовления Си и массу МК (2). Эти критерии в работе применяются для выбора оптимальных вариантов сборочных узлов АПРТ.

С„=Смк+Спр+Ссу+См, Смк=Сом+аТ(1+К„), Сом=¥м-Е(Сн]-^), (2)

где Смк, Спр, Ссу, См, Сом, См| - стоимости: изготовления МК, привода, системы управления, монтажа, основных материалов, 1 т материала .¡-ой группы элементов соответственно; а - заработная плата за 1 нормо-час среднего разряда; Т -трудоемкость изготовления; К„- коэффициент накладных расходов; \|/м - коэффициент, учитывающий отходы и прочие материалы; Gj - общая масса .¡-ой группы элементов.

Наличие большого количества переменных проектирования располагает к огромному множеству возможных вариантов комбинаций их значений. Это создает определенные трудности в реализации поиска наилучшего варианта с оптимальными переменными. Они связаны с тем, что процесс поиска оптимального варианта может не сойтись, т.к. нет выраженной закономерности изменения переменных проектирования. Чтобы упорядочить поиск наилучшего варианта, применён следующий подход.

Используется классификация вариантов АПРТ. В ней имеется конечное число вариантов, отличающихся по существенным признакам (места расположения привода, виды поперечных сечений элементов и др.). Варьируемыми переменными в пределах одного варианта являются размеры поперечных сечений элементов. Параметрически оптимизируется каждый вариант, изменением размеров поперечных сечений элементов. Целевой функцией является масса МК. Вектор переменных представляет собой набор размеров поперечных сечений элементов. Ограничениями оптимизации являются: по несущей способности (прочности, устойчивости), жесткости (изменение межосевого расстояния в цевочной передаче механизма сохранения горизонтального положения платформ «люлек» и др.) и конструктивные ограничения. Далее выбираются наилучшие варианты сборочных узлов по рабочим критериям: стоимости изготовления (2), металлоемкости и варианты сборки всей МК по окончательному критерию оптимальности - приведённым затратам на перегрузку одного автомобиля (1).

Задача оптимизации формулируется следующим образом: найти минимум целевой функции и соответствующий вектор переменных при заданных ограничениях. Выбранная целевая функция имеет квадратичную форму. Установленные ограничения представляют собой как линейные, так и нелинейные зависимости. Для оптимизации необходим численный метод поиска условного экстремума. В последние годы многие САПР применяют метод поиска условного экстремума, который называется методом последовательного квадратичного программирования. Он является современным методом в области нелинейного программирования. В этом методе минимум целевой функции ищется путем замены каждой нелинейной функции локальной квадратичной аппроксимацией и решения получаемой последовательности аппроксимирующих подзадач.

Расчет МК АПРТ проводился с учетом существующих нормативных документов. Разработана программа, дополняющая применяемую САПР Pro/Engineer проверкой на общую устойчивость стержневых элементов МК и местную устойчивость стенок и поясов балок в соответствии со СНиП Н-23-81*, и способствующая более точному проведению многопараметрической оптимизации структурных вариантов основных сборочных единиц МК АПРТ в расчетном модуле Pro/Mechanica.

Чтобы упорядочить процесс поиска оптимального варианта, был разработан алгоритм оптимального проектирования АПРТ (рис. 9).

В третьей главе содержится анализ структурных вариантов МК АПРТ и трудоемкостей их изготовления. Проведен поиск оптимального варианта согласно разработанному алгоритму (рис. 9). Для оптимизации вариантов узлов МК АПРТ применялся модуль Pro/Mechanica.

Рис. 9. Блок-схема алгоритма оптимального проектирования АПРТ

Было оптимизировано 8 различных вариантов МК «люльки» (рис. 10). Из них два варианта получились наиболее перспективными. Один имеет наименьшую себестоимость изготовления, а второй наименьшую массу. Окончательный выбор варианта произведен на этапе «сборки» всей МК. За 1 у.е. принята 0,0001 стоимости одного машиноместа (40 руб.).

Вариант

Материал

СтЗсп

10ХСНД

СтЗсп

10ХСНД

СтЗсп

10ХСНД

СтЗсп

10ХСНД

Комбинация видов поперечных сечений элементов

платформа

кольцо

Си, у.е.

1800 1300

: Заработная плата

'С

П Е Амортизация

" Е Топливо и энергия

1

{Е Прочие расходы

< С Стоимость материалов

12345(37 8 Структурные варианты

а б

Рис. 10. Результаты оптимизации сборочного узла «люлька»: а - структурные варианты, б - гистограмма стоимости изготовления «люльки»

Классифицированы комбинации разновидностей МК «барабана» и выбранных перспективных вариантов МК «люльки». По результатам оптимизации этих вариантов сделан вывод: вариант 1 имеет наименьшую себестоимость изготовления «барабана» и 4-х «люлек», вариант 9 -наименьшую общую массу «барабана» и 4-х «люлек» (рис. 11 и 12 а).

Классифицированы комбинации разновидностей МК всех сборочных узлов и произведена их оптимизация. Варианты 3 и 4 отличаются материалом «несущей конструкции» и имеют наименьшую себестоимость изготовления. Если разница в стоимости материалов МК будет меньше

О 5 10 15 Номер итерации

20

Рис. 11. Оптимизация массы сборочного узла «барабан» для варианта 1 155%, то на первое место выйдет вариант 4. Для рассмотренных материалов она составляет 170%. Окончательно выбираем вариант 3 (рис. 12 б).

Принимая во внимание возможность создания и других вариантов АПРТ, отличающихся стоимостью привода, годовыми эксплуатационными расходами и сроком эксплуатации, предложен подход к сравнению всех вариантов уже по окончательному критерию оптимальности - приведённым затратам на перегрузку одного автомобиля. На рис. 13 пред-

ставлены сравниваемые варианты АПРТ и гистограмма приведённых затрат на перегрузку одного автомобиля по вариантам АПРТ.

Срок эксплуатации АПРТ оказывает большое влияние на приведённые затраты на перегрузку одного автомобиля. Он зависит от уровня качества изготовления МК, приводных механизмов и монтажных работ, а, значит, от их стоимости. Чтобы найти компромисс между этими параметрами, необходимо проанализировать несколько вариантов приводных механизмов и выбрать оптимальный. Именно здесь окончательный критерий оптимальности - приведённые затраты на перегрузку одного автомобиля - оправдывает свое применение.

Си,

] Заработная плата на изготовленние барабана

и»

тыс. у.е. — -

] ] .............—В—В Амортизация на

изготовление барабана Ш Топливо и энергия на ¡1! изготовление барабана и □ Прочие расходы на изготовление барабана I! Стоимость материалов

1:2 Л -I 5 С 7 К!УН! 112 й Варианты комбинаций

Си, тыс. у.е.

12

ш

---- ---- —Л) ГГ

лл

ЙМа 'л'»

1 2 3 0 5 6 7 . Варианты комбинаций 4-хлюлек

б

□ Заработная плата иа изготовленние НМК

□ Амортизация на изготовление НМК

Ш Топливо и энергия на изготовление НМК

Е Прочие расходы на изготовление НМК

□ Стоимость материалов

_ НМК

(1 Стоимость изготовления барабана

II Стоимость изготовления

1 Стоимость изготовления 4-х люлек а

Рис. 12. Результаты оптимизации вариантов комбинаций сборочных узлов: а - «люлька» и «барабан», б - «люлька», «барабан» и «несущая конструкция» (НМК - несущая металлоконструкция)

а)

б)

Пи. у.е.

0.020

0.010

0,000

I 2 1 Варианты АПРТ

С Расходы на эксплуатацию

_ Ш Монтаж АПРТ

~ □ Стоимость системы управления

В Стоимость привода

I Стоимость металлоконструкции

Капитальные затраты в сфере эксплуатации

] Капитальные затраты в сфере изготовления

Рис. 13. Выбор наилучшего варианта АПРТ: а, б - структурные варианты с расположением привода внутри «барабана» и снаружи, в - гистограмма приведённых затрат на перегрузку одного автомобиля по вариантам АПРТ: 1 - привод внутри «барабана»; 2 - снаружи

В четвертой главе даны практические рекомендации по применению разработанного алгоритма при проектировании МК АПРТ и по разработке

комплекта нормативных документов по механизированным автостоянкам применительно к АПРТ.

В приложении представлены: текст авторской программы проверки на устойчивость, тексты программ имитационных моделей движения потока автомобилей на автостоянках и результаты их работы, виды поперечных сечений элементов МК АПРТ, результаты расчета НДС, оптимизации МК АПРТ и сравнение НДС МК вариантов узлов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе сравнительного анализа средств механизации многоуровневых автостоянок, результатов имитационного моделирования движения потока автомобилей и расчета экономического эффекта от их внедрения обосновано применение новой конструктивной формы автомобильного подъёмника револьверного типа (АПРТ).

2. Выявлены необходимые для проектирования расчетные схемы металлоконструкции (МК) АПРТ и определены нагрузки, действующие на нее. Исследованы особенности нагружения МК с разработкой компьютерных моделей сборочных единиц и построением окружностей влияния максимальных эквивалентных напряжений в их группах элементов. Установлено, что для расчета МК АПРТ необходимо учитывать несколько определяющих неблагоприятных расчетных случаев нагружения.

3. Исследованы силы взаимодействия между основными сборочными узлами «люлька» и «барабан». Установлено, что при угле 35 град, отклонения плоскости расположения колес «люльки» от вертикальной плоскости возникают наименьшие максимальные эквивалентные напряжения в группе элементов «кольцо барабана» для всех расчетных случаев.

4. Сформулированы рабочие и окончательный критерии оптимальности МК АПРТ. Обоснован критерий, адекватно характеризующий эффективность конструкции, которым являются приведённые затраты на перегрузку одного автомобиля. Установлено, что для упорядочивания процесса поиска наилучшего варианта МК АПРТ в качестве рабочих критериев целесообразно принять себестоимость изготовления и металлоемкость.

5. Проведена оптимизация структурных вариантов МК основных узлов АПРТ («люлька», «барабан» и «несущая конструкция») по металлоемкости методом последовательного квадратичного программирования, реализованного в расчетном пакете Рго/МесЬашса, дополненного программой проверки ограничений по общей и местной устойчивости элементов МК.

6. Обоснованно выбраны варианты сборочных узлов МК АПРТ, имеющие наилучшие показатели по рабочим критериям оптимальности: себестоимости изготовления и металлоемкости.

7. Разработана методика оптимального проектирования МК АПРТ с применением метода декомпозиции и критерия оптимальности приведённых затрат на перегрузку одного автомобиля, позволяющая наилучшим

15

образом синтезировать ее элементы и учитывающая такие особенности подъёмника как: стоимость материалов и приводных механизмов, срок службы, годовые эксплуатационные расходы и трудоемкость изготовления. Установлена последовательность действий проектировщика по применению этой методики.

8. Даны рекомендации по разработке нормативных документов, регулирующих проектирование и эксплуатацию средств механизации автостоянок применительно к АПРТ.

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Патент на изобретение №2304206 (РФ). Многоэтажная автостоянка / Е.О. Быстров [и др.] // Б.И. 2007. №22.

2. Патент на изобретение №2354792 (РФ). Способ компоновки модулей механизированных автостоянок элеваторного типа / Е.О. Быстров [и др.] // Б.И.. 2009. №13.

3. Оптимальное проектирование автомобильного подъёмника револьверного типа / Е.О. Быстров [и др.] // Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: Материалы XII Московской межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (с международным участием). М., 2008. С. 21-22.

4. Оптимальное проектирование новых конструктивных форм механизированных автостоянок / Е.О. Быстров [и др.] // Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: Материалы XIII Московской межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (с международным участием). М., 2009. С. 22-23.

5. Оптимальное проектирование автомобильных подъёмников револьверного типа / Е.О. Быстров [и др.] // Подъемно-транспортное дело. 2009. №3. С. 2-5.

6. Развитие классификации и терминологии в области механизированных автомобильных стоянок / Е.О. Быстров [и др.] // Подъемно-транспортное дело. 2009. №5-6. С.12-14.

7. Оптимизация металлоконструкции автомобильного подъёмника револьверного типа / Е.О. Быстров [и др.] // Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: Материалы XIV Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. М., 2010. С. 20-21.

8. Положения оптимального проектирования роторных систем парковки автомобилей / Е.О. Быстров [и др.] // Безопасность транспортных средств в эксплуатации: Материалы 71-й международной научно-технической конференции. Нижний Новгород, 2010. С. 16-17.

9. Быстров Е.О. Исследование нагруженности конструкции автомобильного подъемника револьверного типа // Подъемно-транспортное дело. 2010. №4. С. 2-4.

16

Подписано к печати 25.03.11. Заказ №192 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

61 11-5/2065

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

На правах рукописи

Быстров Евгений Олегович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ПОДЪЕМНИКА РЕВОЛЬВЕРНОГО ТИПА МНОГОУРОВНЕВОЙ АВТОСТОЯНКИ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-

транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Вертинский А.В.

Москва - 2011 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................7

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................12

1.1. Обоснование применения автомобильных подъемников

револьверного типа.....................................................................12

1.1.1. Обзор вариантов многоэтажных автостоянок...................12

1.1.2. Автомобильный подъемник револьверного типа..............18

1.1.3. Область применения автомобильного подъемника

револьверного типа............................................................19

1.1.4. Сравнение вариантов многоэтажных автостоянок

по удобству в эксплуатации..............................................21

1.1.4.1. Моделирование процесса движения потока автомобилей на многоэтажной автостоянке...........................................................22

1.1.4.2. Анализ результатов имитационного моделирования процесса движения потока автомобилей на многоэтажной автостоянке...........................................................26

1.1.5. Экономическое обоснование внедрения

автомобильного подъемника револьверного типа

на многоуровневые автостоянки.......................................30

1.1.5.1. Анализ рамповых заездов на многоуровневых автостоянках............................30

1.1.5.2. Параметры мест хранения автомобилей..............33

1.1.5.3. Экономический эффект от использования

автомобильного подъемника револьверного типа на многоуровневой автостоянке...........................................................33

1.2. Анализ работ, посвященных решению задач

оптимального проектирования...................................................37

1.2.1. Общий подход к оптимальному проектированию............37

1.2.2. Оптимизация металлоконструкций....................................38

1.2.3. Экономические требования при проектировании.............39

1.2.3.1. Расход и стоимость металла.................................39

1.2.3.2. Трудоемкость изготовления

металлических конструкций................................40

1.3. Постановка задач, решаемых в диссертации...............................40

Выводы...............................................................................................................41

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ

ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ПОДЪЕМНИКА РЕВОЛЬВЕРНОГО ТИПА......................................42

2.1. Основные параметры автомобильного подъемника

револьверного типа.....................................................................42

2.2. Анализ конструкции автомобильного подъемника

револьверного типа с точки зрения оптимального проектирования...........................................................................49

2.3. Нагрузки, сочетания нагрузок и расчетные случаи.....................53

2.3.1 Сочетания нагрузок...........................................................54

2.3.2 Нагрузки.............................................................................60

2.3.2.1. Нагрузки на сборочный узел «люлька»...............60

2.3.2.2. Нагрузки на сборочный узел «барабан»..............62

2.3.2.3. Нагрузки на сборочный узел «несущая

конструкция»........................................................74

2.3.3 Расчетные случаи нагружения металлоконструкции автомобильного

подъемника револьверного типа.......................................82

2.3.4 Исследование усилий взаимодействия и случаев нагружения сборочных узлов металлоконструкции автомобильного

подъемника револьверного типа.......................................86

2.3.4.1 Исследование усилий взаимодействия сборочных узлов «люлька» и «барабан».............86

2.3.4.2 Исследование случаев нагружения сборочного узла «люлька»...................................90

2.3.4.3 Исследование случаев нагружения сборочного узла «барабан»..................................94

2.3.4.4 Исследование случаев нагружения сборочного узла «несущая конструкция».........Ю6

2.4. Выбор материала металлоконструкции автомобильного

подъемника револьверного типа..............................................119

2.5. Применение метода конечных элементов для расчета

конструкций...............................................................................119

2.6. Постановка оптимизационной задачи........................................120

2.7. Критерий оптимального проектирования..................................121

2.8. Целевая функция.......................................................................... 126

2.9. Вектор переменных проектирования.........................................128

2.10. Функции ограничений......................... .....................................129

2.11. Выбор метода оптимизации......................................................132

2.12. Проверка на устойчивость....................... ..................................139

2.13. Общий алгоритм оптимального проектирования

автомобильного подъемника револьверного типа..................141

Выводы.............................................................................................................147

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

АВТОМОБИЛЬНОГО ПОДЪЕМНИКА РЕВОЛЬВЕРНОГО ТИПА..................................................................................................149

3.1. Анализ структурных вариантов автомобильного

подъемника револьверного типа..............................................149

3.2. Анализ трудоемкостей изготовления для различных

вариантов автомобильного подъемника револьверного

типа............................................................................................153

3.3. Поиск оптимального варианта автомобильного

подъемника револьверного типа..............................................156

3.3.1. Оптимизация вариантов металлоконструкции сборочного узла «люлька»..............................................156

3.3.2. Оптимизация вариантов металлоконструкции сборочного узла «барабан».............................................158

3.3.3. Оптимизация вариантов металлоконструкций сборочного узла «несущая металлоконструкция».........163

3.3.4. Выбор наилучшего варианта по окончательному критерию оптимальности................................................166

Выводы.............................................................................................................170

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕДАЦИИ...............................................171

4.1. Практические рекомендации по применению разработанной методики оптимального проектирования металлоконструкции автомобильного подъемника револьверного типа..............................................171

4.2. Практические рекомендации по разработке комплекта нормативных документов по механизированным автостоянкам применительно к автомобильному

подъемнику револьверного типа..............................................175

Общие выводы..................................................................................................178

Список литературы..........................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Авторская программа проверки ограничений по

устойчивости стержневых элементов, стенок и

поясов балок......................................................190

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Тексты имитационных моделей движения потока автомобилей на автостоянке и результаты их

работы в программе GPSS World...........................209

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Виды поперечных сечений групп элементов

сборочных узлов автомобильного подъёмника

револьверного типа.............................................219

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния, оптимизации металлоконструкции сборочных узлов автомобильного подъёмника револьверного типа и сравнение вариантов узлов, идеализированных различными конечными элементами...................................................222

ВВЕДЕНИЕ

Автомобильные парки крупных городов намного превышают количество доступных мест для парковки. В Москве ежегодно появляется более 200 тыс. новых автомобилей. В настоящее время в Москве эксплуатируется около 4 млн. легковых автомобилей, из которых на улицы города ежедневно выезжает около 900 тыс. единиц. В последние годы резко обострилась проблема временного размещения автотранспортных средств населения, прибывающего в различные зоны города к объектам массового посещения. Припаркованные автомобили хаотично размещаются на проезжей части улиц, тротуарах, заняли дворы, газоны, детские площадки, препятствуя проезду транспорта и движению пешеходов. Снижается уровень безопасности и комфорта пешеходного движения, ухудшается экологическая обстановка. Автомобили, не обеспеченные организованными местами хранения, занимают примерно 2,5 тыс. га благоустроенных городских территорий.

Рост автомобильного парка в крупных городах делает необходимым широкое строительство средств компактного хранения автотранспорта. Поставленная задача по организации культурного хранения и парковки автотранспорта решается комплексно. В том числе при помощи строительства новых многоэтажных автостоянок или замене ими одноэтажных. Многоуровневые автостоянки и гаражи эффективны тем, что позволяют максимально использовать земельный участок, защищают автотранспорт от осадков и угонов. Многоэтажные автостоянки призваны увеличить общественную активность в местах их размещения.

Современные многоэтажные автостоянки и гаражи имеют множество вариантов исполнения. Среди них надземные, подземные, немеханизированные, механизированные, полностью автоматизированные и всевозможные их комбинации. Выбор того или иного варианта зависит от многих условий, важнейшим из которых является наименьшая себестоимость одного маши-номеста. Основными факторами, влияющими на себестоимость машиноместа

являются площадь и объем, приходящиеся на одно машиноместо, а также капитальные затраты на устройства (подъёмники) для перемещения автомобилей на территории автостоянки. В ряде случаев при выборе варианта автостоянки существенное значение приобретают условия комфортности эксплуатации и требования экологии.

Появившаяся в последние годы необходимость в создании компактных мест для хранения легковых автомобилей в условиях мегаполиса нацеливает на разработку новых конструктивных форм автомобильных подъемников для многоуровневых автостоянок.

Для высотной механизированной автостоянки, производительность и экономичность во многом зависят от работы подъемника, который является дорогостоящей и трудоемкой составляющей автостоянки. Одним их перспективных автомобильных подъемников для многоэтажной автостоянки является автомобильный подъемник револьверного типа (АПРТ) конструкции МГТУ им. Н.Э. Баумана [46].

Создание металлоконструкции (МК) АПРТ многоуровневой автостоянки должно базироваться на изыскании новых, более совершенных конструктивных форм с учетом условий эксплуатации, на совершенствовании методов расчета и проектирования. В целях экономии затрат при изготовлении уже на стадии проектирования появляется насущная необходимость применения более точных математических моделей для расчета МК подъемника и создания эффективной методики ее проектирования.

На основании вышеизложенного целью настоящей диссертации является разработка методики оптимального проектирования МК АПРТ на основе численных исследований с учетом ограничений по несущей способности и деформативности.

Актуальность работы состоит в том, что результаты работы при внедрении их в практику проектирования позволят обеспечить обоснованное сни-

жение приведённых затрат на изготовление и эксплуатацию АПРТ за счет более совершенных методов расчета и проектирования. Кроме того, актуальность выполнения уточненных расчетов определяется повышенными техническими требованиями к жесткости МК АПРТ, направленными на обеспечение его нормальной эксплуатации.

Научная новизна диссертационной работы представлена следующими результатами, полученными впервые и имеющими важное значение для решения задачи оптимального проектирования МК АПРТ:

-Обосновано применение новой конструктивной формы автомобильного подъёмника револьверного типа (АПРТ) на основе имитационного моделирования движения потока автомобилей на многоуровневых автостоянках и расчета экономического эффекта от её внедрения.

-Выявлены необходимые для проектирования расчетные схемы МК АПРТ с определением действующих на нее нагрузок на основе разработанных компьютерных моделей основных сборочных единиц и численных исследований НДС МК с построением окружностей влияния максимальных эквивалентных напряжений.

- Разработана методика оптимального проектирования МК АПРТ на основе применения метода декомпозиции, критерия оптимальности - приведённых затрат на перегрузку одного автомобиля - и дополняющей САПР Pro/Engineer программой проверки ограничений по несущей способности и деформативности МК, способствующей более точному проведению многопараметрической оптимизации структурных вариантов основных сборочных узлов МК АПРТ методом последовательного квадратичного программирования в расчетном модуле Pro/Mechanica. Методика позволяет наиболее эффективно синтезировать элементы МК с учетом таких особенностей как: стоимость материалов и приводных механизмов, их срок службы, эксплуатационные расходы и трудоемкость изготовления.

Практическая ценность работы. Предложенная методика оптимального проектирования АПРТ позволяет на начальных стадиях проектирования АПРТ наилучшим образом синтезировать сборочные узлы, определять НДС, оптимальные характеристики поперечных сечений элементов МК. Сформулированные рекомендации по применению методики позволяют разобраться в алгоритме оптимального проектирования АПРТ.

Применение результатов диссертационной работы дает возможность упростить и сократить во времени процесс проектирования МК АПРТ. Данную методику целесообразно использовать в составе САПР при проектных и научно-исследовательских работах по разработке оптимальных конструкций АПРТ. Применение результатов позволяет разрабатывать оптимальные конструкции АПРТ, приводящие к минимальным затратам на перегрузку автомобилей с учетом срока эксплуатации АПРТ, а также многих экономических параметров.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, на 10-ой, 11-ой, 12-ой, 13-ой и 14-ой Московских международных межвузовской научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» в 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 гг. соответственно, на специализированных выставках «Подъемно-транспортная техника и технологии» в г. Екатеринбурге в 2007 г., в г. Москве в 2008, 2009 г. и г. Санкт-Петербурге в 2007 г., на семинаре «Проблемы создания, освоения производства, внедрения и использования многоярусных механизированных автопарковочных средств, оборудование и системы механизации и автоматизации перемещения автомобилей к местам и с мест парковки в многоэтажных гаражах» на 8-й специализированной выставке «Подъемно-транспортная техника и технологии» в г. Москве в 2010 г.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору A.B. Вертинскому, научному консультанту к.т.н. доценту А.Н. Шубину, а также коллективу кафедры «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана старшему преподавателю A.B. Масягину, инженеру С.Г. Гнездилову, студентам: Ф.Е. Кубышкину, Ю.В. Казуто, А.Е. Зацепину, ген. директору ООО НПП «Подъемтранссервис» Н.И. Ивашкову и своим родителям О.И. Быстрову, О.Ф. Быстровой за неоценимую помощь в проведении исследований, постоянное внимание к выполняемой работе и диссертанту.

Автор выражает также благодарность всем, кто не упомянут здесь, но кто своим доброжелательным отношением, советом или делом помог продвижению этой работы.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обоснование применения автомобильных подъемников

револьверного типа

1.1.1. Обзор вариантов многоэтажных автостоянок

В настоящее время известно много вариантов исполнения многоэтажных автостоянок. Рассмотрено 9 базовых вариантов. Далее представлено краткое описание, схемы автостоянок и устройств для перемещения автомобилей.

Вариант 1 это многоэтажная автостоянка с прямолинейной рампой (продольный уклон 18 %, [68]). Рампа имеет горизонтальные и наклонные участки. На рампе может находиться один автомобиль на наклонном участке или два, если они движутся в противоположные стороны и рампа является двухпутной (рис. 1.1).

Вариант 2 это многоэтажная автостоянка с подъемником револьверного типа (рис. 1.3) [46, 49]. Подъемник является новой конструктивной формой автомобильного подъемника для многоуровневой автостоянки. Один подъемник револьверного типа может перемещать автомобили в пределах трех этажей. Для увеличения этажности применяется несколько подъемников, расположенных на разных уровнях или применяется «барабан» с большим диаметром. Автомобиль может переезжать с одного подъемника на другой, чтобы подняться на более высокие этажи. Подъемник может одновременно перемещать до четырех автомобилей. В режиме ожидания «барабан» подъемника всегда готов к загрузке автомобилей на всех уровнях �