автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Развитие метода расчета устойчивости стреловых кранов по предельным состояниям

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Методы расчёта устойчивости стреловых кранов.

1.2. Динамическая устойчивость свободно стоящих кранов.

1.3. Использование вероятностных методов в расчётах устойчивости кранов.

1.4. Основные задачи исследований.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЁТА 1СРАНОВ

ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ.

2.1. Формирование структуры разрешающего уравнения в методе расчёта кранов по предельным состояниям.

2.2. Выбор расчётных и нормативных значений случайных параметров.

2.3. Методика решения нелинейных уравнений предельного состояния.

2.4. Использование уравнения предельного состояния при отличных от нормального законах распределения исходных случайных величин.

2.5. Разработка матричного алгоритма для решения уравнения предельного состояния.

2.6. Выводы.

3. УЧЕТ ПОВТОРНОГО НАГРУЖЕНИЯ

ПРИ РАСЧЕТЕ УСТОЙЧИВОСТИ СТРЕЛОВОГО КРАНА

3.1. Постановка задачи.

3.2. Вдавливание опорных элементов крана в грунт.

3.3. Просадка опорных элементов крана при циклическом нагружении.

3.4. Циклическая устойчивость стрелового крана.

3.5. Расчёт циклической устойчивости крана по методу предельных состояний.

3.6. Выводы.

4. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ УСТОЙЧИВОСТИ

4.1. Расчёт приведённого коэффициента жёсткости системы «кран-грунт».

4.2. Определение жесткостных параметров опорного контура.

4.3. Напряжённо-деформированное состояние гильзы гидроцилиндра.

4.4. Уточнение жесткостных характеристик силовых гидравлических агрегатов кранов.

4.5. Выводы.

5. АНАЛИЗ БАНКА ДАННЫХ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СТРЕЛОВЫХ КРАНОВ

5.1. Формализация распределения нагрузки на крюке крана.

5.2. Оценка статистических закономерностей распределения вылета.

5.3. Построение закона распределения момента.

5.4. Выводы.

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ СТРЕЛОВОГО КРАНА

ПО МЕТОДУ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ

6.1. Выбор размерности разрешающего уравнения.

6.2. Линейное уравнение предельного состояния в размерности моментов.

6.3. Нелинейное многопараметрическое уравнение предельного состояния.

6.4. Методика оценки устойчивости по предельным состояниям.

6.5. Выводы.

7. ВЫВОДЫ

Стреловые краны находят широкое применение при монтажных и погру-зочно-разгрузочных работах в строительстве, на промышленных предприятиях, в портах и на железных дорогах.

Более половины аварий стреловых кранов в той или иной степени связаны с потерей устойчивости. Причиной тому является практически полностью отсутствующая система индикации параметров при работе большинства кранов. В процессе выполнения технологических операций интенсивность приближения к отказу, в том числе и по критерию опрокидывания, определяется в большинстве случаев машинистом с помощью простейших указателей или приобретенного опыта.

В силу этого значительная степень ответственности ложится на этап проектирования крана, в процессе которого должны обуславливаться параметры, обеспечивающие устойчивость крана во всех условиях эксплуатации, определяться границы допустимых условий и нагрузки на крюке крана.

Выстроить всю группу противоречивых требований в единый вычислительный алгоритм возможно только в случае применения теории надежности , в том числе и для оценки параметров устойчивости крана.

Практически единственным документом, регламентирующим вопросы устойчивости стреловых кранов, на сегодняшний день является РД 22-145-85 «Краны стреловые самоходные. Нормы расчета устойчивости против опрокидывания» (далее РД) [24].

В этом документе практически впервые расчетные условия устойчивости записаны в оболочке форм метода расчета по предельным состояниям, но в эту оболочку не введены частные коэффициенты надежности, хотя нагрузки на кран представлены в виде нормативных и случайных составляющих. 6

Поэтому, несмотря на все более расширяющиеся применение элементов теории надежности в оценке рабочих характеристик крана , отдельные вопросы ( выбор частных коэффициентов надежности в вероятностной части модели , оценка просадки опорных элементов крана в механической части модели) до сих пор не рассматривались в должной степени на уровне применения в практических расчетах , а потому являются весьма актуальными.

Основными направлениями развития стреловых кранов в настоящее время являются [8]:

- совершенствование норм и методов расчёта кранов,

- повышение грузоподъёмности кранов за счёт уменьшения запасов прочности, заложенных в более ранних конструкциях.

Создание методики расчёта устойчивости стрелового крана, отвечающей этим требованиям и намеченным выше задачам, является целью данной работы.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту - кандидату технических наук, доценту Сальникову Вячеславу Гавриловичу за ценные указания при выполнении работы.

Основные выводы, научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. В работе теоретически обоснован метод расчета устойчивости стрелового крана по предельным состояниям с частными коэффициентами надежности по каждой из действующих на кран нагрузок. Использование метода позволяет повысить грузовую характеристику на средних и больших вылетах до 12% без ущерба для уровня безотказной работы.

2. Стреловые краны характеризуются случайным воздействием нагрузок, что предопределяет использование вероятных моделей для обоснования условий безотказности крана по критерию устойчивости. Предложенный метод позволяет учесть, что с одной стороны, степень влияния каждой нагрузки на устойчивость крана неодинакова, с другой - вероятность одновременного появления максимальных значений нагрузок мала.

3. Использование единого коэффициента запаса устойчивости для всех действующих на кран нагрузок приводит к переоценке влияния одних (нагрузка на крюке, ветровая нагрузка на груз, динамическая нагрузка при работе механизма поворота) и недооценке других (динамическая нагрузка при работе механизма подъёма).

4. Доказано, что расчёт устойчивости стрелового крана необходимо проводить по двум группам предельных состояний. Устойчивость крана должна обеспечиваться как при однократном приложении расчетной нагрузки (первая группа), так и при повторных воздействиях нагрузок меньше расчетной с учетом накопленного крена (вторая группа). Вторая группа предельных состояний вводится по результатам настоящей работы.

5. Разработанные на базе теории надежности основные соотношения, позволяющие записать уравнение и построить гиперповерхность предельного состояния по критерию устойчивости, позволили выполнить расчёты для кранов нескольких размерных групп (5-ая и 6-ая), показавшие, что заложенный в нормах индекс безопасности (до шести средних квадратических отклонений) необходимо снизить на 50%, при этом вероятность безотказной работы практически сохраняется на прежнем уровне.

6. На основе разработанного нового метода расчёта устойчивости стреловых кранов были получены результаты, не встречавшиеся в предыдущих исследованиях. В частности: а) введение пространственной расчетной схемы опорного контура адекватно отражает физическую картину деформирования системы «кран - грунт», что позволяет уточнить значения динамических нагрузок в том числе за счет учета суммарной жесткости стрелы, подвеса (в том числе жесткого), рамы, элементов опорного контура и грунтового основания. Благодаря введению перечисленных элементов удаётся уменьшить ошибку расчета на 18% по величине перемещений и на 10% по величине опрокидывающих моментов; б) построена и реализована методика определения накопления крена стрелового крана при повторном нагружении. На базе методики определены три зоны работы крана: зона упругой работы, зона приспособляемости, зона катастрофической потери устойчивости. Например, кран КС-6361 с грузовым моментом 685 кНм может выполнить лишь один рабочий цикл, с моментом 330 кНм - 5 рабочих циклов на упрочняющихся грунтах и 3 рабочих цикла на стабилизирующихся грунтах при одинаковой их статической прочности 2,5 МН/м1

148

7. На основании комплексного анализа всех указанных факторов определена мера эквивалентности вероятностного и детерминированного условия устойчивости, позволившая не только обосновать численные значения частных коэффициентов надежности, но и найти меру рецептивности, определяющую влияние изменчивости отдельного случайного параметра на численное значение коэффициента.

8. По результатам проведённых исследований даны рекомендации по численным значениям частных коэффициентов надёжности. Основные результаты нашли отражение в рамках темы "Теоретические обоснования методов расчета грузоподъемных машин на прочность и устойчивость" (тематические планы ТулГУ, № гос. per. 03020106).

1. Аксёнов И. П. Грузовая устойчивость стреловых передвижных кранов. - М.: Машгиз, 1952. - 147 с.

2. Анализ погрешностей измерения массы груза в системах защиты от перефузки кранов с телескопической стрелой /Маш Д. М., Зарецкий А. А., Васин Б. Г., Солодкая Л. Д. //Строительные и дорожные машины. 1990. -№6. - С. 20-22

3. Андриенко И. Н., Хасилев П.В. Пути оптимизации проектирования опорных металлоконструкций самоходных кранов //Строительные и дорожные машины. 1986. -№2. -С. 24-25

4. Андриенко Н. П., Хасилев П.В., Сергеев СТ. Выбор рациональных параметров систем уравновешивания стреловых самоходных кранов // Строительные и дорожные машины. 1990. -№6. -С. 14-16

5. Андриенко И. П., Хасилев П.В., Сергеев СТ. Нафузки в.четырёх-опорном контуре крана и влияние на них податливости рамы //Строительные и дорожные машины. 1989. -№11. - С. 22-23

6. Башенные краны. Л.А. Невзоров, A.A. Зарецкий, Л.М. Волин и др. -М.: Машиностроение, 1979. 292 с.

7. Бейтман Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. Гипергеометрическая функция. Функция Лежандра. М.: Наука, 1965.- 294 с.

8. Бирюков Ю.В. Устройство для защиты автомобильного крана от опрокидывания // Строительные и дорожные машины. 1985. -№2. - С. 22-23

9. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

10. Ю.Бородин А.Н. Элементарный курс теории вероятностей и математической статистики: Учебное пособие для вузов. СПб.: Лань, 1999. - 224 с.

11. ГБрауде В.И. Вероятностные методы расчёта ГПМ. Л.: Машиностроение, 1978. - 231 с.

12. Вайнсон А. А. Строительные краны. М.: Машиностроение, 1969.488с.

13. Вайнсон A.A. Подъёмно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1989. - 536 с.

14. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник М.: Машиностроение, 1983. - 301 с.

15. Васин Б.Г. К расчёту стреловых самоходных кранов на устойчивость //Исследование стреловых самоходных кранов. М.: ВНИИСТРОЙДОРМАШ, 1980. - С. 44-48

16. Ватулин Я. С. Синтез силовых гидроцилиндров строительных кранов: Дисс канд. техн. наук Тула, 1996. - 196 с.

17. П.Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 576 с.

18. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения. М.: Наука, 1988. - 480 с.19.волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1965. - 268 с.

19. Волков Д.П., Черкасов В.А. Динамика и прочность многоковшовых экскаваторов и отвалообразователей. М.: Машиностроение, 1969. - 408 с.

20. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие для вузов. 7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2000. - 479 с.

21. Грей Э., Мэтьюз Г.Б. Функции Бесселя и их применение к физике и механике. М.: ИЛ, 1953. - 372 с.

22. Григорьев Н.И. Нагрузки кранов. М. - Л.: Машиностроение, 1964.167 с.

23. Двоенко С.Д., Моттль В.В. Основы обработки данных: Учебное пособие / ТулГУ. Тула, 1997. - 154 с.

24. Журавлёв В.Ф. Механика систем с односторонними связями. //Успехи механики. 1989. -No2. - С. 37-69

25. Журавлёв В.Ф., Фуфаев H.A. Механика систем с неудерживающими связями. М.: Наука, 1993. - 240 с.

26. Зарецкий A.A. Методика расчёта кранов по предельным состояниям //Отраслевые расчёты кранов. М.: ВНИИПТМАШ, 1974. - С. 24-29

27. Зарецкий A.A. Обоснование расчёта по предельным состояниям на устойчивость против опрокидывания свободностоящих кранов //Исследование и разработка кранов: Сб. научных трудов. М.: ВНИИСТРОЙДОРМАШ, 1984. -С. 11-20

28. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчёты сооружний. -М.: Стройиздат, 1988 351 с.

29. Зб.Иванов A.n. Об устойчивости в системе с неудерживающими связями //ЩАМ. 1984. -№5. - С. 23-31

30. Исаков Э.Н., Харас З.Б., Бабаян Г.А. Режим эксплуатации механизма подъёма стреловых самоходных кранов грузоподъёмностью 25 т. и более //Строительные и дорожные машины. 1981. - №6. - С. 21-23

31. Казак СЛ. Динамика мостовых кранов. М.: Машиностроение, 1968. -331 с.

32. Калинина В.Н., Панкин В.Ф. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1998. - 336 с.

33. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980. - 604 с.

34. Лебедев H.H. Специальные функции и их приложения. М:-Л.: Физ-матгиз, 1963. - 358 с.

35. Левин М.М. К определению числового значения коэффициента грузовой' устойчивости сек с учётом осадки в грунт //Строительные и дорожные машины. 1975. - №8. - С. 6-8

36. Лифшиц М.И. Выбор упругих характеристик опорных элементов ССК и определение коэффициента использования грузоподъёмности //Исследование стреловых самоходных кранов. М.: ВНИИСТРОЙДОРМАШ, 1980. - С. 39-44

37. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

38. Ляв А. Математическая теория упругости. М. - Л.: НКТП СССР, 1935.-674 с.

39. Малючков С.С. О динамическом расчёте устройств, свободно стоящих на упругом основании //Вестник машиностроения. 1966. - №9. - С. 7-10

40. Надёжность в машиностроении: Справочник /Под общ. ред. В.В. Шашкина, Г.П. Карзова. СПб.: Политехника, 1992. - 719 с.

41. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ-10-92. //Сборник нормативных и справочных документов по безопасной эксплуатации грузоподъёмных машин. М.: НПО ОБТ, 1995. - Том 1. - С. 23-176

42. Пугачёв B.C. Теория случайных функций и её применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962. - 283 с.

43. Рабинович И.М. Вопросы теории статического расчета сооружений с односторонними связями. М.: Стройиздат, 1975. - 145 с.

44. РД 22-145-85. Краны стреловые самоходные. Нормы расчета устойчивости против опрокидывания. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1986. - 27 с.

45. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат, 1978. - 239 с.

46. Сальников В. Г., Семёнов Ю. Е. Задача устойчивости крана в рамках теории надёжности //Деп. рук. в ВИНИТИ, 1999. № 1960 - В99. - Тула, 1999. -20 с.

47. Сальников В.Г. О структуре разрешающего уравнения в методе расчёта крановых металлоконструкций по предельным состояниям //Известия ТулГУ. Подъёмно-транспортные машины и оборудование. 1999. - Выпуск 2. - С. 33-45

48. Сальников В.Г. Теоретическое обоснование метода расчета механизированных крепей по предельным состояниям //Управление горным давлением в комплексно-механизированных лавах. Новосибирск: СО АН СССР, 1989. -С.138-141.

49. Сальников В.Г., Хромов Д.В., Семёнов Ю.Е. Развитие теории предельных состояний металлоконструкций ГПМ. //Подъёмно-транспортные машины на рубеже веков: Профамма и тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции. - М., 1999 - С. 58

50. Сальников В.Г., Хромов Д.В., Семёнов Ю.Е. Уравнение предельного состояния в задачах устойчивости грузоподъёмных машин //Известия ТулГУ. Подъёмно-транспортные машины и механизмы. Тула, 1999. - Вып. 2. - С. 4650

51. Сальников В.Г., Хромов Д.В., Чиков K.M. Методология перехода к расчету силовых гидроцилиндров грузоподъемных машин методом частных коэффициентов надежности для линейного уравнения предельного состояния //Деп. рук. в ВИНИТИ. 1998. -№362-В98. - 30с.

52. Семёнов Ю. Е. Выбор точки линеаризации при решении нелинейных уравнений предельных состояний в задачах надёжности //Лучшие научные работы студентов и молодых учёных технологического факультета. Тула: Тул. гос.'ун-т, 2000.-С. 153-157

53. Семёнов Ю.Е. Учёт повторного нагружения в задаче устойчивости стрелового крана //Актуальные проблемы современного строительства: Сборник трудов 54-ой Международной конференции. СПб, 2000. - Ч. П. - С. 111114

54. Слепов Б. Н. Состояние производства и перспективы развития стреловых самоходных кранов //Строительные и дорожные машины. 1996. -№4. -С. 8-9

55. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М., Наука, 1974. Т. 1. - 336с.

56. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1965. -605 с.

57. Справочник по кранам: В 2-х т. / В.И.Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.; Под общ. ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.-Т. 1.- 536 С.

58. Тарко Л.М. Волновые процессы в трубопроводах гидромеханизмов. -М.: Машиностроение, 1963. 183 с.

59. Тимин Ю. Ф. Исследование нагрузок на колёса и влияние их распределения на устойчивость автомобильных кранов: Дисс. . канд. техн. наук -М.,- 1972.- 177 с.

60. Улитенко И.П., Копейкина Н.Н., Западинский Э.П. Аппаратура для статистических исследований эксплуатационных режимов работы стреловых самоходных кранов: Н.-Т. реф. сб. НИИИНФСтройдормаш. М., 1967. - Вып. 5.-С. 34-52

61. Фёдоров В.М. Методика расчёта грузоподъёмности гусеничных кранов в режиме передвижения и в статическом режиме на основаниях различной плотности //Механизация и технология механомонтажных работ. М., 1983. -С. 23-32

62. Фёдоров Д.И., Бондарович Б.А., Перепонов В.И. Надёжность металлоконструкций землеройных машин. М.: Машиностроение, 1971 - 213 с.

63. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований. М.: Транспорт, 1987.- 188 с.

64. Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования. М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.

65. Церлюк М. Д., Зайцев Л. В. О критерии устойчивости гусеничных кранов //Исследование механизмов и металлических конструкций. ~ Воронеж, 1977.-С. 79-85

66. Церлюк М.Д., Геращенко В.Н., Определение углов наклона гусеничного крана при деформации основания //Исследование механизмов и металлических конструкций. Воронеж, 1977. - С. 86-89

67. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. - 479с.

68. Шелмич Р. Р. Динамические нагрузки и устойчивость автокрана на упругом основании //Строительные и дорожные машины. 1996. -№4. - С. 3233

69. Шнейдер В.Г. Торможение механизма подъёма гидравлического стрелового крана //Деп. рук. в КазНИИТИ. Целиноград, 1989. - №2987 -'Ка - 90. -Юс.

70. Штейнберг Л.Б., Андриенко H.H., Запольский H.H. Расчёт телескопических стрел пневмоколёсных кранов //Строительные и дорожные машины. -1986.-№8.-С. 8-10

71. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. М.: Мир, 1982. - 240 с.157

72. Щепотин Г.К. Укладка щебёночного балласта на асбестовый //Путь и путевое хозяйство. 1998. - № 1. - С. 31-32

73. Яковлева О.В. Вдавливание опорных плит домкратов в грунт //Тр. преподават. и слушателей Тульск. гор. ун-та науч.-техн. знаний. Тула, 1974. -Вып. 27. - С. 63-69

74. Яковлева Т.Г., Иванов Д.И. Моделирование прочности и устойчивости земляного полотна. М.: Транспорт, 1980 - 255 с.

75. Яркин А.А., Ушкин В.И., Харкун Б.И. К определению устойчивости трубоукладчика//Строительные и дорожные машины. -1981. № 4 - С. 15-16

76. Hajduk J. Losowosc w obliczenich wytrzymatosci maczyn raboczych //Przeglad Mechaniczny. 1975. - T. 34, nr. 15 - S. 485-488.

77. Mendera Zbignew. Melody tworzenia kombinayi obnazen w zastosowanin do norm projektowania //Stud. Zakr. Inz. 1987. - № 27. - L. 59-84.

78. Zaretsky A.A., Shapiro H.I. Overturning stability of a free standing crane under dynamic loading /Sae technical paper series. September 8-10, 1997. № 972721.-10 p.158