автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Развитие теории оптимального проектирования механизмов грузоподъемных кранов пролетного типа

На правах рукописи

ЧЕРНОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ ПРОЛЕТНОГО ТИПА

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

о. г.г?

/ .Г-"''

Новочеркасск - 2009

003467148

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Балаковский институт техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета» на кафедре «Подъемно-транспортные и строительно-дорожные машины»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кобзев Анатолий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Короткий Анатолий Аркадьевич;

доктор технических наук, профессор Панасенко Николай Никитович;

доктор технических наук, профессор Липатов Анатолий Степанович. .

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Защита состоится$.06-09 & Ю ° на заседании диссертационного совета Д 212.304.04 в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346430, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд.107 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан » £ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

.С. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Механизация подъемно-транспортных, погру-зочно-разгрузочных и складских работ в подавляющем большинстве осуществляется с помощью кранов различных типов. От эффективности работы кранов во многом зависит производительность и качество выполненных работ в строительстве, промышленности, судостроении, сельском хозяйстве, на транспорте.

Поэтому весьма актуальным является совершенствование приводов и металлоконструкций кранов с целью повышения производительности, точности позиционирования грузов, повышения безопасности производства работ. Особенную актуальность имеет задача повышения технического уровня специальных кранов, входящих в технологический цикл производства работ. К таким кранам относятся монтажные, металлургические, судостроительные краны, краны для обслуживания гидравлических, тепловых и атомных станций, перегрузочные краны портов. От эффективности работы механизмов кранов зависит их производительность, безопасность производства работ, надежность крана в целом. Приводы таких кранов отличаются большим многообразием по мощности, передаточному отношению трансмиссии, скоростям передвижения и подъема груза, точности посадки груза. При проектировании специальных кранов часто невозможно выбрать серийно изготавливаемый редуктор, главным образом по величине передаточного отношения, в этом случае заводам-изготовителям кранов или специализированным предприятиям приходится проектировать и изготавливать оригинальный редуктор. При этом требуется выполнить ряд ограничений: по массе, габаритам, передаточному отношению, уровню шума, эффективности передачи энергии. Таким ограничениям зачастую удовлетворяют планетарные редукторы. В настоящее время разработан ряд интересных схем планетарных зубчатых передач 2к-Ь, Зк, замкнутых дифференциальных механизмов. Методика расчета этих передач достаточно детально разработана, но методы выбора наилучшего решения по указанным выше ограничениям требуют дальнейшего развития.

Решение задач повышения эффективности работы кранов в современных условиях невозможно без применения методов оптимального проектирования, позволяющих снизить энерговооруженность и металлоемкость приводов, от чего, как известно, большей частью зависит их стоимость.

Методы оптимального и автоматизированного проектирования нашли широкое применение в краностроении. Однако в связи с развитием теории оптимального проектирования в целом, и развитием новых типов приводов и систем их управления, а также в связи с повышением требований к энерговооруженности, металлоемкости кранов и крановых механизмов прикладная теория оптимального и автоматизированного проектирования должна получить дальнейшее развитие.

Цель работы. Совершенствование приводов механизмов кранов пролетного типа с целью снижения металлоемкости и энерговооруженности на осно-

ве дальнейшего развития теории оптимального и автоматизированного проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выбрать методы оптимизации и модифицировать их применительно к решению задач оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа.

2. Разработать математические модели и выбрать критерии оптимального проектирования механизмов.

3. Обосновать методику и алгоритмы оптимального проектирования механизмов подъемов кранов и механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

4. Разработать методику оптимального проектирования зубчатых передач соосного типа и автоматизированного выбора схем соосных зубчатых передач в зависимости от требуемых технологических, прочностных и качественных характеристик.

5. Составить алгоритм оптимального проектирования соосных зубчатых передач применительно к решаемой задаче.

6. Предложить методику инженерного расчета оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа на основании разработанной теории.

Основная Научная идея. Разработка теория оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа с применением методов многокритериальной оптимизации..

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод решения многокритериальной задачи оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, основанный на принципе Парето.

2. Методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов подъема.

3. Методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

4. Векторные критерии оценки качества решения задач оптимального проектирования механизмов подъема кранов.

5. Векторные критерии оценки качества решения задач оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

6. Модификация метода целевого программирования для сужения области парето-оптимальных решений.

7. Метод решения многокритериальной задачи оптимального проектирования передаточных механизмов с большими передаточными отношениями на основе принципа Парето.

8. Теоретические положения оптимального проектирования соосных зубчатых передач.

9. Методика определения оптимальных параметров металлоконструкций барабанов механизмов подъема и металлоконструкций балансиров механизмов передвижения.

Новизна научных положений:

- впервые предложено решение многокритериальной задачи оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, основанное на принципе Парето, включающее три этапа: формирование области возможных решений; выделение области парето-оптимальных решений, определение оптимального решения,

- разработана методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов подъема для кратностей полиспаста от I до 24, позволяющая учесть все возможные варианты по типам электроприводов и управляющих устройств, трансмиссий, канатов, муфт и тормозов;

- формирование области возможных решений задач оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек рекомендовано осуществлять при дискретно изменяемых значениях диаметра ходового колеса от 250 мм до 1000 мм, что позволяет учесть все возможные конструктивные схемы компоновки механизмов,

- для механизма подъема предложен векторный критерий оценки качества решения, включающий в качестве составляющих девять критериев оптимальности: экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и габаритный размер передаточного механизма, массы барабана, каната, крюковой подвески, муфт, тормозов и коэффициент полезного действия механизма;

- предложен векторный критерий оценки качества решения при проектировании механизмов передвижения, состоящий из девяти критериев оптимальности: экономической оценки двигателя и управляющего устройства, стоимости и массы трансмиссии, масс балансиров, колес, рельсов, муфт, тормозов и коэффициента полезного действия механизма,

- разработана модификация метода целевого программирования для выбора оптимального решения задач проектирования механизмов подъема и передвижения из множества парето-оптимальных решений по минимальному значению метрики;

- впервые предложена методика многокритериального оптимального проектирования передаточных механизмов с большими передаточными числами: на первом этапе выполняется формирование области возможных решений на основе схем планетарных передач типа 2к-/>, Зк, с учетом прочностных ограничений и требуемых качественных характеристик, на втором -формирование области парето-оптимальных решений в соответствии с предложенным векторным критерием оценки качества решения, включающим: массу и габаритный размер передачи, коэффициент перекрытия и коэффициент полезного действия; на третьем - выбор оптимального решения по минимальному значению метрики в соответствии с предложенной модификацией метода целевого программирования,

- разработан метод графического синтеза соосных зубчатых передач, позволяющий в зависимости от величины и знака передаточного отношения, а также требуемых качественных характеристик определять схему и геометрические параметры зубчатой передачи;

- обосновано применение модифицированного метода Хука-Дживса для определения оптимальных параметров барабанов механизмов подъема и балансиров механизмов передвижения, позволяющего получить конструкции минимальной металлоемкости.

Практическая значимость работы. Проведенные научные исследования и полученные результаты обеспечили возможность разработки методик автоматизированного оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа и их трансмиссий, а также позволили достичь снижения металлоемкости и энерговооруженности кранов, затрат труда конструкторов на стадии проектирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается выбором соответствующих задаче физических предпосылок; применением апробированных законов механики, математики, теории механизмов и машин, методов математического моделирования, методов оптимизации, сопоставлением результатов аналитического исследования с данными математического моделирования; сравнительным анализом полученных результатов с известными.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены:

- в ЗАО Научно-производственная фирма «Авангард-ф» г. Саратов в виде технических предложений по выполнению конструктивных схем погрузочно-разгрузочных и подъемно- транспортных работ; методики расчета механизмов кранов пролетного типа;

- ОАО «Строймаш» г. Саратов в виде методики оптимального проектирования планетарных зубчатых передач грузоподъемных машин;

- ООО Инженерно-консультационный центр «Мысль» Новочеркасского государственного технического университета г. Новочеркасск в виде методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов подъема

- подразделении технопарка БИТТУ СГТУ и ООО ИКЦ «Крансервис» при выполнении модернизация механизмов подъема и передвижения пяти козловых кранов К 2x125 Нижегородской ГЭС; двух кранов К2Х180/50 Саратовской ГЭС.

Результаты исследований используются в курсах лекций «Грузоподъемные машины», «Специальные краны», «Погрузочно-разгрузочные машины», «САПР ГТГМ», «Теория механизмов и машин», которые читаются для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», а также в дипломном и курсовом проектировании. По материалам исследования опубликовано учебное пособие, методические указания к курсовому проектированию, которые широко используются в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях «Перспективы развития подъемно-транспортной техники» (г. Одесса, 2002 г.); «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г. Астрахань, 2002 г.); конференции, посвященной 100-летию Г.П. Ксюнина (г. Новочеркасск, 2005 г.); научно-технических конференциях Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного университета (1990-2008 гг.);

- заседаниях технического совета ОАО «Строймаш» (г. Саратов, 2002 г.);

- Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, технологии» (г. Якутск, 2008 г.)

- межрегиональной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс: состояние и перспективы развития» (г. Чебоксары, 2007 г.);

-Международных научно-технических конференциях «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (г. Балако-во, 2002 г.); «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2006, 2008 гг.); «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе монография и учебное пособие. Из указанного числа работ 9 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ для докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 226 наименований. Основной текст исследования изложен на 372 страницах и включает 112 рисунков, 39 таблиц, 6 приложений на 137 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, подтверждающая необходимость дальнейшего развития теории оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа, сформулирована цель работы, приведена общая характеристика работы с определением ее научной новизны и практической ценности.

В первой главе представлена оценка современного состояния теории оптимального проектирования механизмов кранов, определены направления диссертационного исследования, на основе проведенного анализа выбраны методы проектирования и тип математической модели, дана постановка задач диссертационного исследования.

В краностроении вариантное проектирование и применение методов оптимизации позволяют решать целый ряд задач: создание рациональных конструктивных схем, определение оптимальных значений их геометрических параметров и размеров отдельных элементов, получения крановых механизмов с наилучшими технико-экономическими показателями. При этом можно назвать

выдающихся отечественных и зарубежных ученых, сделавших большой вклад в теорию оптимального и автоматизированного проектирования: В.И. Брауде, М.М. Гохберг, А.П. Кобзев, В.Г. Соловьев, A.C. Липатов, A.B. Олешкевич, В.Л. Лифшиц, И.А. Невзоров, И.М. Соболев, Р.Б. Статников, О.Н. Пылаев, Д. Хедли, Д. Уайлд, Б. Банди, В.Н. Демокритов, Фам Ван Хой, В.Я. Недоводеев, H.H. Панасенко, А.Н. Орлов, Е.М. Кудрявцев, Д.И. Батищев, Д.Н. Решетов, Г. Реклейтис, А. Рейнвиндран, К. Рэксдел, В.Н. Тарасов, и другие

Многочисленность возможных конструктивных решений, разнообразие и противоречивый характер требований к механизмам, большое число трудно формализуемых качественных требований приводят к тому, что на практике поиск оптимума при проектировании механизмов ведут путем разработки и сравнения ограниченного числа вариантов. В работах А.П. Кобзева, A.B. Олеш-кевича, И.Ю. Акимова, В.К. Тимошенко, В.Т. Баранова, A.C. Плотникова, В.Г. Соловьева рассматривается оптимизация параметров механизма подъема по критериям массы механизма или приведенных затрат. При этом оптимизируется кратность полиспаста, частота вращения двигателя, металлоемкость барабана, тип каната. При этом в ряде работ использован диалоговый режим, увеличивающий трудоемкость процесса оптимального проектирования.

В работах А. П. Кобзева, Д.А. Зотова обоснованы условия автоматизированного выбора оптимальных величин основных параметров механизма передвижения - числа ходовых колес, количества приводов движителей и числа подкрановых рельсов, параметров балансирных балок.

Однако в оптимизационных работах практически не рассматривается оптимальность схем приводов механизмов грузоподъемных машин с точки зрения применения современных типов приводов и управляющих устройств, позволяющих значительно улучшить эксплуатационные характеристики.

Кроме того, во всех вышеперечисленных работах при кинематическом расчете рассматривался вариант комплектации передаточного механизма преимущественно серийно выпускаемыми горизонтальными или вертикальными редукторами, имеющими ограничения по передаточному отношению.

Уникальные мостовые, козловые краны и перегрузочные мосты имеют сравнительно низкие скорости рабочих движений, поэтому требуют проектирования приводов с большими передаточными отношениями.

При оптимальном проектировании механизмов необходимо наравне с вариантами комплектации приводов серийными редукторами рассматривать возможности использования в приводах вновь проектируемых оригинальных редукторов. Проектируемые для уникальных кранов редукторы с большими передаточными числами зачастую обладают большими массами и низкими коэффициентами полезного действия, поэтому с учетом поставленной цели необходимо исследовать такие приводы на оптимальность. В этом отношении перспективными являются планетарные редукторы, находящие в мировой практике все большее распространение. Для механизмов подъема их применение позволяет создавать малогабаритные приводы, встроенные в барабан, а также многоскоростные двух- и трехдвигательные. Также очень перспективными из-за малых габаритов и малых масс являются планетарные редукторы для приводов меха-

низмов передвижения кранов и крановых тележек. Особенно существенно упрощается компоновка механизмов передвижения многоколесных приводов, когда приходится редукторы устанавливать на балансирах. Передачи обладают большой компактностью, т.е. возможностью получения высоких передаточных отношений при малом количестве зубчатых колес, а также меньшей массой и габаритами по сравнению с рядовыми передачами.

В целом теория проектирования планетарных зубчатых передач достаточно разработана и освещена в литературе. Имеется обширный список работ, посвященных проблемам проектирования и выбора параметров планетарных передач. При решении оптимизационных задач возникают дополнительные требования к проектированию по условиям равнопрочности, энергоемкости, габаритов, что требует дальнейшего развития теории проектирования зубчатых передач применительно к решаемым задачам.

Для решения многокритериальной задачи оптимального проектирования механизмов подъемно-транспортных машин наиболее применим метод оптимизации, построенный на принципе Эдворта-Парего.

При применении данного принципа к решению задач многокритериальной оптимизации должны быть разработаны методика формирования области возможных решений задачи на применении принципов структурного синтеза и векторные критерии оценки качества решения, включающие в качестве составляющих критерии оптимальности рассматриваемых задач. В качестве метода сужения области парето-оптимальных решений может быть использован метод целевого программирования с модификацией применительно к решаемым задачам.

Для получения оптимальных параметров металлоконструкций барабана механизма подъема, а также балансиров мехайизма передвижения кранов и крановых тележек, наибольший интерес представляют методы прямого поиска, в частности, метод Хука-Дживса, который позволяет исследовать овражные функции. Однако данный метод применим только к задачам безусловной оптимизации. Поэтому требуется модифицировать метод Хука-Дживса так, чтобы можно было решать задачи оптимизации с ограничениями.

Вторая глава посвящена разработке теории оптимального проектирования механизма подъема груза.

На основе проведенного анализа методов оптимального проектирования сделан вывод, что наиболее эффективным для решения задачи оптимального проектирования механизма подъема груза является метод многокритериальной оптимизации, основанный на принципе Парето.

В качестве составляющих векторного критерия качества решения /=(/ь ■■■Л) при оптимальном проектировании механизма подъема груза можно рекомендовать следующие критерии оптимальности.

Стоимость электропривода и управляющих устройств, а также эффективность их работы, учитывается экономической оценкой А (руб), согласно методике, предложенной д.т.н. М.М. Гохбергом:

А=Р(С„ + Су) +

,3/2

(1)

где Р - номинальная мощность электродвигателя, кВт; СЛ8 - удельная стоимость 1 кВт мощности двигателя, руб/кВт; Су - удельная стоимость управляющего устройства на 1 кВт мощности двигателя, руб/кВт; - число включений за год работы; 5яоп - износостойкость электропривода (допустимое число включений до проведения капитального ремонта); S„ - усредненная стоимость электроэнергии на пуск двигателя мощностью 1 кВт, руб/кВт; р - коэффициент, определяющий потери при пуске, торможении, регулировании скорости в зависимости от вида управляющих устройств; у - коэффициент, характеризующий приведенные моменты инерции механизмов; ивк — число включений в час; Г -число часов работы в год.

Выбор трансмиссии характеризуется двумя критериями: габаритным размером привода Ьр и его стоимостью 5Р. Остальные элементы привода: барабан, канат, крюковая подвеска, муфты, тормоза в векторном критерии учитываются в виде массы соответствующих частей привода: мБ, игк> "гн,тт. При этом оптимальные параметры барабана по критерию металлоемкости определяются отдельно по рекомендованной модификации метода Хука-Дживса.

Для оценки эффективности в отношении передачи энергии различных вариантов компоновки привода принят коэффициент полезного действия механизма Т1-

Цель оптимального проектирования механизма подъема груза в математических терминах выражается в условии минимизации функции/=(/ь ■■■/д)' /1= А;/2= ¿р ;/3= 5р;/4= тБ;/5= /ик;/6= тп;/,= от„;/«= тт;/9= -г|, (2) на множестве возможных решений задачи X.

Для формировании области возможных решений X рассматриваются все возможные схемы компоновки электропривода: с двигателями постоянного и переменного тока, с применением контактно-контроллерных управляющих устройств, тиристорных регуляторов напряжения, тиристорных преобразова-тей частоты; все возможные схемы компоновки передаточного механизма: с серийно выпускаемыми редукторами, с несерийными редукторами, полученными при проектировании из условия оптимальности при различных значениях значениями кратности полиспаста /„ на интервале [/шп; ггаах]-

Исключением из области возможных решений X непарето-оптимальных решений формируется множество Парето Р/(Х):

Р[(Х) = {х* е X| не существует такого х е X, что/(х) </(х*)}. (3) Для дальнейшего сужения множества Парето до множества выбираемых решений Бе1(Х) применяется модификация метода целевого программирования. Для этого на множестве Р{(Х) формируется идеальный вектор и, состоящий из минимальных значений составляющих векторного критерия/:

Для каждого решения х, е Р/.Х) е X рассчитывается метрика р(.х,), представляющая собой неотрицательное число, определяющее расстояние критери-

(4)

ального вектора / (х,) от идеального вектора U. Величина метрики для каждого решения х, рассчитывается:

= (5)

'-I •' 1 min

Оптимальным является решение, расположенное как можно ближе к множеству идеальных оценок U, т.е. решение, имеющее наименьшую метрику. Если несколько решений получат одинаковые значения метрики р(х;), окончательное решение об оптимальности того или иного варианта компоновки механизма принимает конструктор.

С учетом физической сущности задачи разработана система ограничений. Выбор и расчет деталей и узлов механизма подъема осуществляется на основе существующих методик с проверкой установленных ограничений.

Для подбора оптимальных параметров барабана предложена модификации метода покоординатного спуска Хука-Дживса для решения задач с ограничениями из условия минимума металлоемкости. Проверка ограничений выполняется в отдельной подпрограмме. Управляемые параметры выбираются при выполнении условий прочности по эквивалентным напряжениям от сжатия, изгиба и кручения в цилиндрических стенках барабанов с однослойной и многослойной навивкой каната, а также устойчивости цилиндрических стенок.

Модифицированный алгоритм Хука-Дживса включает в себя две процедуры: исследование окрестности базовой точки, которое проводится методом покоординатного спуска, и движение вдоль одной из координат, дающее наибольшее уменьшение функции цели.

Выбор оптимального диаметра барабана производится методом покоординатного спуска по условию:

Г Db+A Ог„еслигав<г+|,<тБг; DB= 1 (6)

I Db, если ть' < (DB+A DE) > DEmix, LB> Lfimax. где ADS- первоначальное значение шага изменения диаметра барабана, назначаемое конструктором;

г - номер итерации по изменению диаметра барабана; Lbma«., Dbmax - максимальная длина и максимальный диаметр барабана, получаемые конструктором расчетом из условий компоновки механизма подъема.

Переменное значение шага определяется по условию: Г Л Dk, если тБ' > mБ<T'",,;

A Dfi = i -A Db/2, если шБг < ш,'"(7) I 0 ,если IADeI<£, где £ - минимальное значение шага изменения диаметра барабана, назначаемое из условия точности нахождения минимума металлоемкости барабана.

Необходимость применения барабана с многослойной навивкой каната оценивается логическим оператором:

{шь если DB < DSraax, Ls < LB,mM

mi+1, если Db > Db max» »-Б ^Бгпахэ

где Ш] - число слоев навиваемого на барабан каната.

Для формирования области возможных решений при изменении значения кратности полиспаста на интервале [¡т1П; ¡тах] (за первый вариант принимается вариант с минимальной кратностью, для которого можно подобрать канат необходимого диаметра, ¡тах=24) выполняется расчет привода по каждому варианту компоновки.

Управление работой алгоритма осуществляется переменной с тремя индексами: пв = пэО, к, г), управляющей структурным синтезом механизма. Каждое значение переменной пэ определяет схему компоновки механизма подъема. Значение переменной ] предопределяет автоматизированное обращение к массиву двигателей; значение переменной к управляет обращение к массивам управляющих устройств; значение переменной г управляет обращением к серийно выпускаемым редукторам и, при необходимости, проектированию открытой зубчатой передачи или обращение к процедуре проектирования нового редуктора из условия оптимальности. Конструктор при проектировании может исключить из рассмотрения в программе ряд вариантов, заданием переменной пв= пвО, к, г), соответствующей исключаемым номерам схем нулевого значения.

Алгоритм перехода к схеме с открытой зубчатой передачей управляется условием:

Г и„, если и< ирпих;

ч= ^ (9)

I ир- и0„, если и > иртах, где и - общее передаточное число трансмиссии;

ир - передаточное число редуктора;

Цртах - максимального значения передаточного числа редуктора;

иоп - передаточное число открытой зубчатой передачи.

Для проектирования несерийно выпускаемого редуктора механизма подъема применяется разработанные автором методика и алгоритм оптимального проектирования зубчатых передач.

В третьей главе разрабатывается метод графического синтеза соосных зубчатых передач, позволяющий однозначно получать схему и геометрические размеры звеньев передачи в зависимости от типа передачи, величины и знака передаточного отношения и введенных геометрических параметров X;.

При проектировании планетарных передач согласно существующим методикам, вначале выбирается схема передачи, а затем проводится кинематический расчет, и при этом часто оказывается, что выбранная схема не оптимальна или вообще не существует при заданных качественных характеристиках. Для решения задачи оптимального проектирования зубчатых передач, применяемых в механизмах подъемно-транспортных машин, был разработан новый метод графического синтеза соосных зубчатых передач.

В общем виде любую ступень зубчатого механизма можно считать частным случаем дифференциального редуктора. Так для двухступенчатого дифференциального редуктора (рис. 1), состоящего из солнечных колес 1 и 3, и сател-литных колес 2 и 2', если передаточное отношение от первого к третьему сол-

печным колесам и 1з=с0> получаем планетарный редуктор с неподвижным третьим колесом. Если передаточное отношение от первого солнечного колеса к водилу Н и1Л=со, получаем зубчатый механизм с неподвижными осями.

Рассмотрим метод графического синтеза дифференциального зубчатого механизма. Введем декартову систему координат ХОТ (рис. 1). По оси X отложим отрезок Оа, равный окружной скорости точки А, точки контакта первого солнечного колеса с сателлитным колесом 2:

Оа = УА =

Если при этом принять угловую скорость 1-го колеса сол=1, то Оа примет значение Г). От нуля вниз по оси К отложим расстояние ОЕ)= Г\. Если соединить точки а и О, получим прямоугольный треугольник с равными катетами. Причем гипотенуза треугольника будет линией распределения скоростей точек 1-го колеса редуктора. Угол наклона этой линии к оси У равен 45 градусам: 01=45°. Построим линию распределения скоростей водила, линию Н. Для этого из точки Б проведем прямую под углом 0Н, определив данный угол из соотношения:

(О, гя©. 1 ^ 1

»1 ь~— =- =-; 0н=агс1£—.

«я 4®н ЩИ

Для построения линии распределения скоростей 3-го солнечного колеса линию 3 под углом 9з, который определим из соотношения:

Рис. 1. Графический синтез дифференциального редуктора

1

©з = ап^—.

м13

Выберем на линии Н точку Ъ, которая соответствует точке В на схеме редуктора - оси вращения сателлитных блоков, задавшись значением параметра Хь, который является координатой точки Ъ во введенной системе координат. Через точки а и Ь проведем линию 2. Полученная линия будет линией распре-

деления скоростей сателлитных колес 2 и 2'. Точка пересечения линий 2 и 3, точка с, соответствует точке контакта сателлитного колеса 2' с солнечным колесом 3 на схеме редуктора. Полученное построение представляет собой план аналогов скоростей точек дифференциального редуктора, построенный в том же масштабе, что и схема редуктора. Положения точек а, bue на плане однозначно определят схему и геометрические размеры проектируемого дифференциального редуктора: r2=b'0\ r^c'O; rf^c'D.

Следовательно, схема дифференциального зубчатого механизма и геометрические размеры колес однозначно определяются значениями передаточных отношений дифференциального зубчатого механизма и и, и un, а также значением параметра хь, который может задаваться в зависимости от назначения зубчатого механизма.

При проектировании планетарного зубчатого механизма «i3=œ получаем:

При проектировании зубчатого механизма с неподвижными осями uih=со, получаем:

Линия распределения скоростей водила Н сливается с осью ОТ.

Из вышесказанного следует вывод, что предложенный метод графического синтеза может применяться при проектировании любого типа соосных зубчатых механизмов. Причем данный метод позволяет однозначно получить схему и геометрические размеры звеньев передачи.

На основании метода графического синтеза проведена классификация простейших схем планетарных редукторов и мультипликаторов типа 2к-Ь по четвертям декартовой системы координат с разделением на схемы с приводом на центральное колесо и с приводом на водило, а также классификация схем планетарных передач типа Зк.

Возможны двенадцать вариантов простейших схем планетарных механизмов с цилиндрическими колесами типа 2к-Ь в зависимости от модуля передаточного отношения, от того, какое из звеньев механизма будет ведущим -солнечное колесо или водило, а также в зависимости от знака передаточного отношения и вида зацепления солнечных колес с сателлитными шестернями. В предлагаемой работе следует задаваться только передаточным отношением зубчатого механизма и его знаком. При одноименном направлении вращения ведущего и ведомого звеньев зубчатых механизмов передаточное отношение положительное мц>0, при разноименном направлении вращения - отрицательное м1А < 0.

Для редукторов с приводом на центральное колесо и приводом на водило можно выделить по четыре схемы, распределенные по четвертям декартовой системы координат (рис. 2 и 3). Аналогичное распределение выполнено для мультипликаторов с приводом на центральное колесо и водило.

Для зубчатых механизмов с приводом на центральное колесо (рис. 2) задается система координат, в которой ось У примем за линию отсчета, а ось X проводится через точку контакта ведущего звена с блоком сателлитных колес. Анализируя эти схемы, легко доказать, что некоторая точка Ь на плане скоростей, соответствующая точке В на схеме зубчатого механизма, находится только в одной четверти выбранной системы координат. Причем точка Ь представляет собой точку пересечения линии распределения скоростей ведомого звена (водила) с линией распределения скоростей сателлитных колес. По этому принципу механизмы с приводом на центральное колесо разделены по четвертям декартовой системы координат. Положительный знак передаточного отношения определяет схемы 1 и 4 четвертей декартовой системы координат. Отрицательный знак передаточного отношения определяет схемы 2 и 3 четвертей декартовой системы координат.

Рис. 2. Классификация редукторов типа 2k-h с приводом на центральное колесо

Аналогичным образом можно разделить по четвертям и зубчатые механизмы, выполненные по схемам с приводом на водило, задаваясь положением на плане скоростей точки а - пересечения линии распределения скоростей ведомого звена (первого зубчатого колеса) с линией распределения скоростей сателлитных колес, соответствующей точке А на схеме редуктора (рис.3) или мультипликатора. При этом ось X вводимой системы координат XOY проходит через ось вращения сателлитных блоков. Если на приведенных схемах строить картины не скоростей, а их аналогов, причем в том же масштабе, что и схемы механизмов, то координаты точек b и а определят размеры колес зубчатого механизма в том же масштабе.

Y

2\

Рис. 3. Классификация редукторов типа 2к-Ь с приводом на водило

Полученные расчетные соотношения для определения радиусов колес зуб чатых механизмов типа 2к-Ь в зависимости от ведущего колеса и введенных па раметров Хь и Ха представлены: для механизмов с приводом на центральное ко лесо в табл. I, с приводом на водило - в табл. 2.

Для планетарных передач типа 3к могут быть получены 4 схемы различного исполнения в зависимости от того, какое из колес центральных колес является опорным и знака передаточного отношения. Для разработки методики оптимального проектирования планетарных зубчатых передач типа 3к, на основании метода графического синтеза были получены соотношения для определения начальных радиусов колес в зависимости от передаточного отношения и введенного геометрического параметра X,.

Таблица 1

Геометрические размеры колес зубчатых передач типа 2к-Н _ с приводом на центральное колесо_

Наименование Формула Примечание

п 2 -

>'г Знак «-» для редукторов и мультипликаторов 3-х и 4-х четвертей

гт Знак «-» для редукторов 1-й и 3-й четвертей и мультипликаторов 3-й и 4-й четвертей

Г1 ду/1-«,,,;

Таблица 2.

Геометрические размеры колес зубчатых передач типа 2А-/) __с приводом на водило_

Наименование Формула Примечание

Л -

Л Знак «-» для редукторов и мультипликаторов 3-х и 4-х четвертей

/V + Фи»кI -'),) Знак «-» для редукторов 3-й и 4-й четвертей и мультипликаторов 1-й и 3-й четвертей

Г) „-и

Введенные геометрические параметры X, следует выбирать, исходя из требуемых качественных характеристик зубчатого механизма. Такими характеристиками для крановых планетарных зубчатых механизмов могут быть: условие равной контактной прочности зубьев; условие наименьших габаритов; максимально возможный коэффициент перекрытия зубьев; максимально возможное число сателлитов; величина КПД

В четвертой главе приведена методика оптимального проектирования зубчатых приводов кранов: разработка математической модели, критериев оптимизации и алгоритмов.

Проектирование зубчатых механизмов представляет собой комплексную проблему, решение которой может быть разбито на несколько самостоятельных этапов. Первым этапом проектирования является установление кинематической схемы механизма, которая бы обеспечивала требуемый закон движения Вторым этапом проектирования является разработка конструкции механизма, обеспечивающая его прочность, долговечность, высокий КПД и др.

При проектировании планетарных зубчатых передач возникает многовариантная задача выбора схемы передачи, удовлетворяющей требуемым кинематическим и динамическим условиям. Кроме того, задача оптимального проектирования планетарных зубчатых передач является многокритериальной, т.к. при выборе наилучшего варианта приходится учитывать много различных требований, и среди этих требований встречаются противоречащие друг другу. Однако почти все существующие методы оптимизации планетарных зубчатых передач предназначены для отыскания оптимального значения одного критерия, т.е. пытаются упрощениями свести многокритериальную задачу к одно-критериальной. Так для решения задачи оптимального проектирования планетарных зубчатых в ряде работ предлагается принять радиальный оценочный габарит - половину полного радиального размера планетарного механизма,

отсчитанного от центральной оси, т.е. оптимальной считается передача, которая при достаточном КПД имеет минимальный радиальный габарит. Однако функция цели при проектировании планетарных зубчатых передач должна учитывать не только габаритные размеры, но и качественные характеристики передачи, например, такие как плавность хода и шумовые характеристики, зависящие от назначения и технического задания на проектирование. Кроме того, в ряде силовых передач наиболее важной характеристикой является эффективность передачи энергии, определяемая КПД.

На основе проведенного анализа методов оптимального проектирования механических передач был сделан вывод, что наиболее эффективным для решения задачи оптимального проектирования планетарных зубчатых передач метод Парето. В качестве составляющих векторного критерия / рассматриваются следующие характеристики зубчатой передачи: металлоемкость передачи, габаритные размеры, коэффициент перекрытия одной из ступеней, коэффициент полезного действия:

/2=1. /4=4- (Ю)

Область возможных решений задачи Сформируется при дискретном изменении передаточного отношения и с шагом Дг/ в области ±2% от величины заданного передаточного отношения и ограничениях, наложенных на прочностные и качественные характеристики проектируемой планетарной зубчатой передачи, с учетом условий соосности, сборки и соседства. Далее из области возможных решений выбирается множество парето-оптимальных решений Р,(х) исключением решений, не улучшающих ни одного из критериев - не парето-оптимальных согласно условию (3). Для дальнейшего сужения множества возможных решений, применяется предложенная модификация метода целевого программирования.

В соответствии с методологией целевого программирования был составлен идеальный вектор и. Применительно к решению задачи оптимального проектирования зубчатой передачи, идеальный вектор и должен состоять из минимальных значений составляющих векторного критерия/ ,/ и максимальных значений составляющих векторного критерия /з и /4, которые выбираются в области парето-оптимальных решений:

(/' IПШ1, /зтш, /тах, /-(тах). (II)

Для каждого решения х, 6 Р,(Х) е X рассчитывается метрика р(.т,), представляющая собой неотрицательное число, определяющее расстояние критериального вектора/(*,) от идеального вектора V. Величина метрики для каждого решения х, рассчитывается:

Р(*/Ь Г^ + X •/''"ах ~/о' ■ (12)

/=1 / / тт ;=3 /шах Оптимальным является решение, расположенное как можно ближе к множеству идеальных оценок (/, т.е. решение, имеющее наименьшую метрику. Если несколько решений получат одинаковые значения метрики р(*,), окончательное решение об оптимальности того или иного варианта компоновки механизма принимает конструктор.

Для решения оптимизационной задачи проектирования планетарной зубчатой передачи была разработана система ограничений на числовые значения оптимизируемых параметров в виде прочностных и качественных требований, а также условий соосности, сборки, соседства, отсутствия заклинивания.

Так как основной причиной выхода из строя закрытых зубчатых передач грузоподъемных машин является выкрашивание, связанное с развитием усталостных трещин, наибольший интерес из прочностных характеристик вызывает равная контактная прочность зубьев колес. При допущениях, что все колеса планетарной передачи нарезаны без смещения и выполнены из одного материала, были получены расчетные соотношения дня определения геометрических параметров X,, при которых выполняются условия равной контактной прочности. На основании полученных соотношений определены области существования планетарных зубчатых передач при условии равной контактной прочности зубьев колес. С учетом соотношений, полученных для геометрических параметров Л', разработаны формулы расчета геометрических размеров колес планетарных передач при условии равной контактной прочности.

Нередки случаи, когда в закрытых зубчатых передачах несущая способность по контактным напряжениям недоиспользуется, а выносливость зуба по изгибным напряжениям оказывается недостаточной. Такие расчетные ситуации возможны для закрытых зубчатых передач с мелкомодульными зубчатыми колесами, изготовленными из материалов с твердостью выше 350 НВ (цементированные, азотированные, закаленные нагревом т.б.ч.), для которых допускаемые контактные напряжения, пропорциональные твердости рабочих поверхностей, получаются большими. Поэтому расчеты на изгибную прочность и для закрытых зубчатых передач также могут иметь проектный характер.

Посредством смещения, рационального подбора чисел зубьев и термообработки можно достичь желаемой равнопрочности зубьев на изгиб. Если контактирующие зубчатые колеса изготовлены из одного материала, т. е. Мп1=[с]и2, равнопрочность зубьев на изгиб может быть достигнута путем назначения коэффициентов смещения при которых: ~ ^дуз , где Уг::1, У,.>:2 - коэффициенты формы зуба шестерни и колеса.

Наибольшая изгибная прочность достигается смещением с возможно большим коэффициентом смещения. При применении равносмещенных передач х2 (х:=0) изгибная прочность зубьев колеса уменьшается, а шестерни увеличивается. В связи с этим выбор коэффициентов смещения XI и Л'2 должен ограничиваться такими значениями, при которых бы достигалась равная изгибная прочность шестерни и колеса при соблюдении ряда других условий: отсутствия заострения зубьев, получения коэффициента перекрытия не ниже допустимого значения.

Для оптимального проектирования зубчатых передач в случае, когда проектным является расчет на изгибную прочность, была разработана методика и получены расчетные соотношения для определения геометрических параметров Х„ и размеров колес при условии равной изгибной прочности.

Для выполнения прочностных расчетов зубчатых механизмов, а также

для получения расчетных соотношений для автоматизированного расчета коэффициента полезного действия планетарных зубчатых передач выполнено исследование планетарных зубчатых передач по критерию эффективности передачи энергии с определением величин сил и моментов, действующих на звенья зубчатой передачи.

В работе проведено исследование планетарных зубчатых передач по коэффициенту перекрытия, учитывающему непрерывность и плавность зацепления, в результате которого получены поверхности распределения коэффициентов перекрытия планетарных зубчатых передач в зависимости от числа зубьев ведущего колеса (первого колеса для схем с приводом на водило) и передаточного отношения, позволившие уточнить области применения векторного критерия оптимальности решения /,. На рис. 4 приведены графики зависимости коэффициента перекрытия от передаточного отношения и числа зубьев ведущего колеса для редуктора с приводом на центральное колесо первой четверти для первой (рис. 4 а) и второй ступени (рис. 4 б).

Для решения задачи оптимального проектирования соосных зубчатых передач разработана методика и алгоритм, составленный по модульному принципу. Структура алгоритма представлена на рис. 4 в. Входными данными для работы алгоритма являются: вращающий момент на быстроходном валу М|, частота вращения быстроходного вала П|, передаточное отношение привода и, точность вычисления передаточного отношения Д%, количество шагов вычислений, марка стали из которой будут изготавливаться колеса, способ обработки поверхностей зубьев колес минимальное г1ПЩ и максимальное число зубьев колес, режим работы. Для формирования области возможных решений задачи X внешний цикл алгоритма построен на дискретном изменении передаточного отношения с шагом, определяемым заданной точностью вычисления и количеством шагов вычислений. Алгоритм включает основную программу, которая является управляющей и процедуры (подпрограммы). По величине и знаку передаточного отношения выбираются возможные варианты схем планетарных передач типа 2к-Н и Ък. Рассчитываются числа зубьев передач при условии равнопрочности с округлением до целых величин и последующим уточнением передаточного отношения; из условия сборки с проверкой по условию соседства определяется количество сателлитных колес; рассчитываются коэффициент перекрытия зубьев и коэффициент полезного действия зубчатой передачи, для которого проверяется ограничение по допустимой величине, задаваемой конструктором. Модуль зацепления определяется из прочностных расчетов с округлением до стандартного значения. При известных значениях чисел зубьев и модуля зацепления выполняется определение габаритных размеров зубчатой передачи с корпусом, массы и стоимости передачи. Формируется векторный критерий оценки качества решения {Ч/!,.../+) (10) для всех возможных схем зубчатой передачи с заданными характеристиками. На полученной области возможных решений X формируется область паре-то-оптимальных решений РДХ), идеальный вектор (/(11), для каждого парето-оптимапьного решения определяется метрика р (12). Оптимальным считается решение, имеющее минимальную метрику.

а)

6)

Ограничения

Q Начало j

/Mi, ni, и, Ди,d, MSüJ

' SPij, Zmin^Zmin, Г1В j

Выбор вариантов схем

Условия соосности, равнопрочности

Условия соседства, сборки

н и

Расчет чисел зубьев

Определение к сателлиты* колес

Ей 1.2 Определение коэффициента перекрытия зубьев

Расчет коэффициента полезного действия

i

а < !ol он 51стн! Í"*-""" Прочностной расчет зубчатой передачи

*

о S [oh с* £ [с«1 л 2: fol Условия сборки, соседства, соосности Определение габаритных размеров, веса и стоимости зубчатой передачи

—L

Р<Х)={х»еХ|«еушвсг»ус1 тмчго ХбХ, ,70 ЦхЭДх») '

Формирование области 1 , _ J

парето-оптималышх решений -j^Xj) (ti(xj)-»(xj^

Поиск оптимальных значение варьируемых параметров

Выбор оптимального решения

в) Рис. 4.

В пятой главе рассматривается теория оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

При проектировании механизмов передвижения тяжелых мостовых, козловых кранов и мостовых перегружателей возникает многовариантная задача выбора кинематической схемы привода, балансирной схемы установки колес, их типа, диаметра колеса и числа опорных рельсов. При инженерном проектировании решается обычно задача обеспечения кинематики, мощности привода, прочности и надежности, однако на современной стадии развития науки и техники ставится задача оптимального проектирования механизмов передвижения.

Для решения многокритериальной задачи проектирования механизма передвижения крана и крановых тележек также предлагается метод Парето.

В качестве критериев оптимальности, входящих в векторный критерий качества решения /,' предложены следующие характеристики схемы компоновки механизма передвижения: стоимость электродвигателя и управляющих устройств; стоимость трансмиссии Sv и ее масса /;/тр; массы муфт тм, тормозов ш,, балансиров ходовых колес wK, крановых рельсов /нр. Причем необходимо рассматривать все возможные схемы трансмиссии: с комплектацией серийно выпускаемыми редукторами, применением открытых зубчатых передач и серийно выпускаемых редукторов, вновь проектируемых из условия оптимальности редукторов с большими передаточными отношениями. В случае раздельного привода, в векторном критерии учитываются суммарные массы, соответствующие количеству приводов пщ. При применении четыхрельсового кранового пути масса рельсов тр должна входить в векторный критерий/с коэффициентом 2. Для учета эффективности использования энергии в векторный критерий оптимальности включен КПД привода, взятый со знаком «-». Таким образом, векторный критерий качества решения включает девять критериев оптимальности:

А" "пР?А;,/2= «„А >Л= "п,Л"цъ./-4= Пщ,Н,;

h= 'Мв;/т= '»к;/8= nv1mv\fr - г|, (13)

которые необходимо минимизировать на области возможных решений задачи X.

Применение к полученной области возможных решений принципа Эд-жворта-Парето позволит сузить область X до области парето-оптимальных решений /',(Х). Для дальнейшего сужения области парето-оптимальных решений до области принимаемых решений Sel(.Y) формируется идеальный вектор U, состоящий из минимальных значений полученных при решении задачи критериев оптимальности:

/"stab). (14)

Для каждого решения x, е Р,(Х) е X рассчитывается метрика р(.т,), представляющая собой неотрицательное число, определяющее расстояние критериального вектора/(х,) от идеального вектора U. Величина метрики для каждого решения х, рассчитывается:

'=1 Jim i

Оптимальным является решение, расположенное как можно ближе к множеству идеальных оценок £/, т.е. решение, имеющее наименьшую метрику.

При оптимальном проектировании механизма передвижения тележки прежде всего учитывается ее тип. Для консольных тележек, получивших распространение для однобалочных кранов, алгоритм выбора оптимальных параметров аналогичен выбору элементов привода механизма передвижения крана. Различие только в дополнительном проектировании поддерживающих колес от опрокидывания рамы тележки. Чаще всего они выбираются в виде конических колес, удерживающих раму тележки от опрокидывания за верхний пояс двутавра, устанавливаемого над стенкой главной балки с противоположной стороны опорного рельса.

При проектировании центрального привода передвижения тележки в алгоритме аналогичного привода механизма передвижения крана обнуляются критерии оптимальности /в и /¿.

Для формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизма передвижения осуществляется перебор вариантов при дискретно изменяемых значениях оптимизируемых параметров. Для организации автоматизированного расчета были созданы базы данных, включающие в себя основные характеристики элементов привода. Основной цикл алгоритма построен на дискретном изменении диаметра ходового колеса D на интервале [Дщ,; Даш], при этом для каждого значения D выполняется подбор комплектующих и расчет привода по каждому варианту компоновки.

Каждому типу схем компоновки механизма передвижения, в зависимости от выбора типа привода, схемы электропривода и типа трансмиссии, присваивается номер варианта ns, представляющий собой переменную с четырьмя индексами: ns = ns(p,j, к, г). Значение переменной р определяет тип привода: центральный, раздельный, раздельных с формированием ходовых узлов. Значение переменной / предопределяет автоматизированное обращение к массиву двигателей; значение переменной к управляет обращение к массивам управляющих устройств; значение переменной г управляет обращением к серийно выпускаемым редукторам и, при необходимости, проектированию открытой зубчатой передачи или обращение к процедуре проектирования нового редуктора из условия оптимальности.

Алгоритм оптимального проектирование механизмов передвижения имеет ряд особенностей. Проектирование проводится для одной опоры из условия наибольшего давления на опору для случая, когда одна из грузовых тележек находится с номинальным грузом над этой опорой или на минимально возможном расстоянии от опоры. При этом учтена возможность выхода тележки на консоль (для козловых кранов) и возможность применения двух тележек, что необходимо учитывать при расчете нагрузки на опору. Расчет элементов приводов производится согласно существующим методикам.

Оптимизация бапансирной подвески колес производится в подпрограмме на основе модификации метода Хука-Дживса по критерию металлоемкости. Рассматривается наиболее распространенная коробчатая конструкция балансиров. Переменной координатой при проведении исследований является высота

балансира, назначаемая дискретно с заданным приращением АХ, так как основная нагрузка на балансиры действует в вертикальной плоскости, поэтому ширину балансиров можно задавать по условиям компоновки. Толщина стенки назначается не менее 5 мм по условиям сварки.

Для того чтобы можно было использовать метод Хука-Дживса для решения задач с ограничениями, толщины поясов определяются методом перебора в отдельной процедуре, с учетом ограничений по условиям прочности, жесткости, устойчивости сжатых элементов сечения.

При определении нагрузки балансиров принимается, что усилие, действующее на опору, равномерно распределяется между тележками опоры. Нагрузка каждого балансира складывается из части нагрузки вышерасположенного балансира и давления ветра. Силой ветра можно пренебречь ввиду его малости, т.к. максимум нагрузки имеет место при рабочем состоянии крана Распределение нагрузки между балансирами зависит от числа колес, на которые опирается нижерасположенный балансир.

Расчет исходных нагрузок и размеров балансиров при различном числе ходовых колес производится автоматизировано Нумерация балансиров производится с верхнего балансира, расположенного под опорой Схема распределения нагрузок на балансиры и размеры балансиров для различных схем расположения колес опор крана приведены на рис. 5.1. Для крановых тележек, перемещающихся по двухбалочным мостам, схема приложения нагрузки и размеры тележки приведены на рис. 5.1 д, ж, и.

Переменной координатой при проведении исследований является высота балансира Х1? задаваемая дискретно с заданным приращением АХ. Толщина стенки балансира бс принимается минимальной (рис. 5.2) из расчетов по эквивалентным напряжениям при заданном коэффициенте запаса прочности (рис. 5.3) с учетом условий сварки. Высота балансира выбирается по минимуму металлоемкости 1П5 балансира, согласно модификации метода Хука-Дживса:

По методу Хука-Дживса движение к минимуму осуществляется с переменным шагом, уменьшающимся по мере приближения к минимуму целевой функции. Окончание исследования происходит при достижении минимального значения шага е, назначаемого из условия получения необходимой точности решения.

Шаг движения к минимуму целевой функции Д X корректируется согласно условию.

" Л^+АХ если /»5"+1|< Х1,если///«,'+1,>шг,'.

JS5

0 о

jS

fl ста (Ь

г

_2L

SL

55

SL

JSL

й^Ег™ ¿та ¿гж

и к

Рис. 5.1. Схема распределения нагрузки, действующей на балансиры

kz

mi, кг

3000—

Xi, мм

Рис. 5.2. Зависимость металлоемко- Рис. 5.3. Зависимость коэффициента сти верхнего балансира механизма запаса прочности по эквивалентным передвижения крана К2Х180/50 от напряжениям верхнего балансира высоты балансира и толщины стен- механизма передвижения крана ки К2Х180/50 от высоты балансира и

толщины стенки

В шестой главе предложена методика инженерного расчета оптимального проектирования механизмов подъема груза и механизмов передвижения кранов и крановых тележек, а также представлены результаты вычислительных экспериментов в разработанной программной среде автоматизированного проектирования, построенной на основе предлагаемого теоретического подхода.

В методике реализуется метод многокритериальной оптимизации, предложенный автором. Расчет основан на принципе Парето и впервые доведен до уровня инженерного расчета для механизмов кранов пролетного типа.

Указанный расчет начинается с анализа технического задания, из которого для заданного типа крана и его назначения выбираются все основные исходные данные для проектирования, группа режимов работы крана и механизма, грузоподъемность и скорость рабочих движений, конструктивное исполнение металлоконструкции и ее масса, конструкция грузовой тележки и их количество. В зависимости от назначения крана определяется потребность в проектировании многоскоростного привода, согласно классу ответственности крана назначается степень защиты от отказов элементов привода, заключающаяся в количественной и качественной комплектации механизмов наиболее надежными с точки зрения отказов элементами: двигателями, тормозами, приборами безопасности. Так для кранов атомной энергетики требуется по концепции безопасности не менее трехкратной степени защиты.

Поскольку по предложенной методике многокритериальной оптимизации необходимо создать область возможных решений по типам двигателей и систем управления, типам редукторов, барабанов, тормозов, муфт, канатов, в работе предложены методики и алгоритмы автоматизированного расчета всех вариантов, для чего разработаны базы данных вышеперечисленных элементов, которые, однако, могут дополняться при необходимости новыми решениями.

Для оптимального проектирования механизма подъема груза разработан алгоритм, структурная схема которого представлена на рис.6. Оптимальное проектирование механизма выполняется в три этапа. На первом этапе формируется область возможных решений задачи: для каждого значения кратности на интервале от 1 до 24 рассчитываются все возможные схемы комплектации механизма подъема по типам двигателей, передаточных механизмов, управляющих устройств, муфт, тормозов. Для механизмов режима нагружения 1М-ЗМ предусмотрена возможность перехода к схемам с открытой зубчатой передачей согласно условию (9). По критерию минимума металлоемкости для каждой схемы рассчитаются оптимальные параметры барабана. Для каждого возможного решения определяются составляющие векторного критерия оценки качества решения (2). На втором этапе по значениям векторного критерия согласно условию (3) формируется область парето-оптимальных решений. На третьем этапе формируется идеальный вектор (4) и для каждого парето-оптимального решения по формуле (5) рассчитывается метрика, по минимальному значению метрики определяется оптимальное решение задачи. При близких значениях метрики (Др = 0,001) окончательное решение принимает конструктор.

NpÈ г t,Np

С Начало y

17

QH

* яхО

Выбор кратности полиспаста >

Выбор каната

ЛКЗ

0\ранмчен1и Выбор двигателя

t

n^ln], cftSlal Подбор оптимальных

аараыегров барабана

MTKF

Выбор рсдупора

ьЧ

Ц2.Ш

ад

<3 £ tel с» ^ )СТн1 Расчет открытой зубчатой передачи

t

а S loi о« S Ы. ч £ 1ц! , Условия сборки, соседства, соосности Выбор оптимальной схемы и расчет несерийного редуктора

--- t

Vk.-T.iT- Выбор м\фт

♦

PTUTT Выбор тормозов

гЧ

ТКТ, ТКГ

Выбор илементои крюковой подвески

Расчет диаметров валов, осей. 1 подбор ПОДШИПНИКОВ |

Рис. 6. Схема алгоритма оптимального проектирования механизма подъема груза

Алгоритм включает в себя основную программу, которая является управляющей и подпрограммы: CRAT подбора диаметра каната и определения кратности полиспаста, DVIG, MUV, TOR, PODV - выбора двигателя, муфт, тормозов, подвески, для чего составлены соответствующие базы данных; RED, ZUB, ÍNV - выбора редуктора, расчета и определения угла зацепления открытой зубчатой передачи; BAR - проектирования барабана с минимальной массой, для чего разработаны подпрограмма GB - определения силы веса барабана, DBAR - исследования влияния диаметра барабана на его металлоемкость; NAPR - определения эквивалентного напряжения в стенке барабана с учетом напряжений сжатия, изгиба и кручения; подпрограммы VAL, OS, POP - расчета валов, осей, подшипниковых опор барабана; RDPN - проверки выбранного двигателя по условиям пуска и нагрева; UPR - выбора управляющего устройства электропривода; MATPAR - формирования области парето-оптимальных решений и выбора оптимального решения на основе сужения данной области.

По предложенной выше методике выполнен проект модернизации механизма главного подъема полярного крана КМ 320/160/ 2*70 Балаковской АЭС. Механическая часть существующей схемы механизма главного подъема (рис.7 а) представляет собой два электродвигателя постоянного тока мощностью 40 кВт Ml и М2, которые через редуктор передают вращение на барабан. Редуктор состоит из дифференциальной части, включающей колеса zb z2, z3 и водило Н, и тихоходной части, представляющей собой трехступенчатую косо-зубую передачу, включающую колеса z», z5, zy, ze, z^, Z7. Передача вращения от двигателя М2 осуществляется через рядовую зубчатую передачу, состоящую из колес zg, z9, Z]0, числа зубьев которой подобраны таким образом, чтобы двигатель М2 обеспечивал подъем номинального груза с заданной скоростью в случае отказа двигателя Ml. Для регулирования скорости подъема в диапазоне от 0,1 до 1 м/мин в качестве управляющих устройств применяются тиристорные преобразователи постоянного тока. Применяется полиспаст с кратностью i = 10.

Существующая схема механизма главного подъема имеет ряд недостатков. Не выполняется концепция промышленной безопасности работы АЭС, согласно которой должна выполняться тройная защита при отказе любого механизма. Мощности применяемых двигателей не обеспечивают возможность подъема номинального груза 320 т при работе одного двигателя, для подъема номинального груза используется одновременная работа двух двигателей, что также противоречит концепции промышленной безопасности работы АЭС. Применяемая в существующей схеме тихоходная зубчатая передача, вес которой составляет 9750 кг, а габаритные размеры 3100x1150x1700 мм, вызывает сложности при компоновке и с учетом предлагаемых в работе методик может быть существенно реконструирована в сторону снижения габаритов и массы.

Рис.7

Рассматриваемый механизм имеет следующие характеристики: грузоподъемность 320 т, высота подъема 45 м, номинальная скорость подъема 1 м/мин, посадочная скорость 0,1 м/мин, группа режима работы 4M.

Для обеспечения концепции промышленной безопасности работы АЭС предложено включить в схему третий двигатель МЗ малой мощности, подключенный по схеме с микроприводом (рис. 7 б), что позволит обеспечить при незначительных затратах дополнительную защиту при отказе двигателей М1 и М2. Мощность двигателей М1 и М2 должна обеспечивать возможность работы механизма с номинальным грузом при работе каждого из двигателей.

При формировании области возможных решений X задачи оптимального проектирования рассматривались варианты компоновки механизма при различных значениях кратности полиспаста на интервале [imin, imaJ. В качестве минимального значения было принято значение кратности, при котором можно было подобрать канат. Рассматривался канат стальной двойной свивки типа JIK-PO конструкции 6x36 (1+7+7/7+14)+! o.e. (ГОСТ 7668-80). Применительно к решению данной задачи imin= 8. Максимальное значение кратности imax = 13 ограничено заданными конструктивно предельными значениями диаметра и длины барабана: DEmax= 2500 мм, LSmax= 6800 мм.

При неизменной дифференциальной части редуктора, для каждого значения кратности рассматривались следующие схемы компоновки тихоходной части: компоновка по схеме базового варианта; трехступенчатая передача, составленная из трех передач типа 2к-Ь однорядных (рис. 7 б) - А+А+А, согласно принятой классификации; двухступенчатая передача, составленной из двух передач типа 2к-Ь (рис. 7 в) - С+А; передача типа Зк (рис. 7 г). Параметры зубчатых передач определялись в отдельной подпрограмме из исследования на оптимальность. Для каждого значения кратности полиспаста определялись оптимальные параметры барабана по предложенной модификации метода покоординатного спуска Хука-Дживса для решения задач с ограничениями из условия минимума металлоемкости, при решении были приняты: первоначальное значение шага изменения диаметра барабана А Об = 100 мм, минимальное значение шага е = 10 мм.

Путем удаления неулучшаемых решений на области возможных решений X была сформирована область парето-оптимальных решений задачи Р^Х), состоящая из 10 решений. Основные параметры данных решений приведены в таблице 3: 1 - кратность полиспаста; А - экономическая оценка; - диаметр барабана; гпБ - масса барабана; гпк - масса канатов; тип передачи тихоходной ступени редуктора; П,с» П1ГС, Ь1С - коэффициент полезного действия, масса и длина тихоходной ступени редуктора; р - значение метрики. В первой строке таблицы 3 приведены параметры базового варианта.

Таблица 3

Основные параметры парето-оптимальных решений при проектировании механизма подъема

№ ! А, Ов, /дБ, кг /я*, тип пе- Лк тк, Р

тыс.руб мм кг редачи кг ММ

б/в 10 282,006 2500 9648 6499 - 0,86 9750 3100 2,097

1 10 317,272 21801 8628 6499 С+А 0,755 8800 1450 0,804

2 10 317,272 2180 8628 6499 А+А+А 0,93 9150 1570 0,759

3 и 317,272 2240 8267 6411 С+А 0,77 8000 1420 0,591

4 11 317,272 2240 8267, 6411 А+А+А 8950 1560 0,665

5 11 435,331 2240 8267 6411 Зк 0,72 7200 1300 0,855

6 »2 317,272 2320 8362 6318 А+А+А 0,932 7200 1530 0,383

7 12 435,371 2320 8362 6318 Зк 0,73 6900 1290 0,789

8 13 317,272 2460 8644 6160 А+А+А 0,932 8000 1510 0,492

9 13 317,272 "24601 8644 6160 С+А 0,783 7800 1370 0,515

10 13 435,371 2460 8644 6160 Зк 0,72 8100 1330 1,014

В качестве оптимального принят шестой вариант решения, выполненный по схеме рис. 7 в, т.к. он имеет минимальное значение метрики, т.е. расположен ближе всех остальных решений к идеальному вектору в многокритериальном пространстве. При этом получено: снижение металлоемкости барабана на 13 %; металлоемкости и габаритных размеров тихоходной ступени зубчатой передачи

соответственно на 26% и 58 %. Результаты расчетов приведены в приложении 5 диссертации.

Структурная схема алгоритма оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек представлена на рис. 7. Формирование области возможных решений задачи выполняется на первом этапе при дискретном изменении диаметра ходового колеса: при проектировании механизма передвижения крана от 250 мм до 1000 мм; при проектировании механизма передвижения тележки от 250 мм до 500 мм. Для каждого значения диаметра колеса рассчитываются все возможные схемы компоновки механизмов по типу привода, типу электродвигателей, трансмиссий и систем управления. Формирование области парето-оптимальных решений выполняется на втором этапе в зависимости от значений составляющих векторного критерия (13) по условию (3). Из минимальных значений критериев оптимальности на третьем этапе формируется идеальный вектор (14) и рассчитывается метрика (15) для каждого паре-то-оптимального решения, по минимальному значению которой определяется оптимальное решение задачи.

Для организации работы с программой оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек в методике инженерного расчета даны рекомендации по выбору типа ходовых колес и рельсов из базы данных программы. Предложены возможности сокращения времени расчета за счет предварительного выбора схемы привода, исходя из технического задания на проектирование и типа крана.

Алгоритм построен по модульному принципу и включает в себя основную программу, которая является управляющей и подпрограммы: определения опорных давлений крана ROD (опорных давлений крановой тележки RODT); числа ходовых колес ZK; числа приводных колес в опоре и количество движителей привода ZKP; выбора двигателя DVJGP; управляющего устройства электропривода UPRP; выбор схемы и расчет трансмиссии выполняется в процедуре RED. Параметры открытой зубчатой передачи рассчитываются в процедуре ZUBP. Выбор оптимальной схемы и расчет вновь проектируемого редуктора выполняется в процедуре RPL. Параметры муфт и тормозов выбираются в подпрограммах MUV, TOR.

Оптимизация балансирной схемы по металлоемкости производится в процедуре BAL: в процедуре РВ определяется нагрузка; в процедуре LBI длина балансиров; в процедуре MI изгибающий момент; в процедуре RGB подбирается сечение, определяется металлоемкость балансиров и проверяются условия прочности. Минимизация массы металлоконструкции производится модифицированным методом Хука-Дживса в процедуре DXP, где дискретно с заданным шагом определяется высота балансира и подбирается толщина поясов из условия прочности, которые проверяются в процедуре RGB. Исследования заканчиваются после прекращения убывания веса металлоконструкции балансиров и при заданном минимальном значении шага движения £.

Ограничения

0<Ы

О £ 1<т1 CT« 5 l<J«l П ^ |г|

Условия сборки, соседства, соосности

ptlsTr

* Ог £ lol hj/Ocj £ кхр

а« < [ал] kfo>( М

Начало ^

b&fo.Q KL8L йЬЫЬ/Щ

Определение нагрузки на опору

Выбор колес, определение числа ориводных колес

......L.

Базы данных

KLIR

Выбор подкрановых рельсов

Определение сопротивления передвижению крана

Выбор электродвигателя

—С

Выбор типа управляющего J КК,МК [_

|атрк, рст,ир

устройства

|ТПЧН,АИТ,АИН

Выбор редуктора

Ц2,Ц2У,ЦЗУ

а £ loL Он й 1о«} Проектирование открытой

зубчатой передачи

И

Выбор оптимальной схемы в расчет несерийного редуктора

ВК.ВКУ

1>»,Ь, m

Выбор муфт

1-4

Выбор тормоза

Н

ткт, ткп

Оптимальное проектирован и с балансирных балок по критерию _металлоемкости_

н:

Проверка двигателя по условнюпуска

Определение значения векторного ——1J4*j)j

крктсрид качества решения

I

Поиск оптимальных значений варьируемых параметров

U. р<*)

Комлоновк» механизма передвижения

Рис. 7. Схема алгоритма оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек

По окончании выбора всех комплектующих механизма проводится проверка двигателя по условиям пуска в процедуре RDP и, при необходимости, пе-ресчитываются параметры механизма.

По полученным значениям расчетных параметров на каждом шаге работы алгоритма в процедуре MATPARP формируется матрица парето-оптимальных решений, идеальный вектор, рассчитываются метрики и выбирается оптимальное решение задачи.

В соответствии с предложенной методикой был выполнен проект модернизации механизма передвижения козлового крана К2* 180/50 Саратовской ГЭС, схема которого представлена. Кинематическая схема существующего механизма передвижения представлена на рис. 8. Рассматриваемый механизм имеет следующие характеристики: масса крана 1106880 кг; грузоподъемность основного механизма подъема 360 т, вспомогательного 50 т; скорость передвижения крана 33 м/мин; пролет крана 26 м.

№ ! т

ч Электродвигатель Тормоз

i_.fi—i--.fi-

\ Открытая зубчатая передача Редуктор ^

Сторона ж веткой опоры

Рис.8

При формировании области возможных решений задачи оптимального проектирования рассматривались три варианта компоновки механизма передвижения при различных значениях диаметра ходового колеса на интервале от 500 до 1000 мм: с определением необходимого числа ходовых колес по условию сцепления; с приводом на каждое колесо с применением серийно выпускаемых редукторов; с приводом на каждое колесо с применением оригинальных планетарных редукторов типа Зк, параметры которых определялись отдельно из исследования на оптимальность. Для каждого значения диаметра ходового колеса определялись оптимальные параметры балансиров по критерию минимума металлоемкости по предложенной модификации метода Хука-Дживса. Путем удаления неулучшаемых решений на области возможных решений была сформирована область парето-оптимальных решений, а также идеальный вектор. Для каждого парето-оптимального решения была рассчитана метрика, согласно методике, предложенной автором. По минимальному значению метрики определено оптимальное решение задачи проектирования.

Минимальное значение метрики получила схема с раздельным приводом на каждое колесо рис. 9, с применением оригинальных планетарных редукто-

ров, имеющая следующие характеристики: диаметр ходового колеса 800 мм, число колес в одной опоре - 6.

Стооона жесткой оиооы

Рис. 9

По сравнению с базовым вариантом металлоемкость балансиров снизилась с 15,75 т до 8,647 т - на 45,1 %; металлоемкость механизма передвижения в целом с 143,930 т до 70,307 т - на 51,1%. Снижение установленной мощности составило 4,5%: установленная мощность базового варианта равна 176 кВт - 8 двигателей по 22 кВт; оптимального варианта 168 кВт - 24 двигателя по 7 кВт. Результаты исследования приведены в приложении 6 диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение для развития прикладной теории оптимального и автоматизированного проектирования приводов грузоподъемных машин, а именно: разработан новый теоретический подход к оптимальному и автоматизированному проектированию механизмов кранов пролетного типа с применением метода многокритериальной оптимизации.

В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1. Для решения задач оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, когда критерии оптимизации имеют различную природу, и недостаток в одном показателе не может быть скомпенсирован за счет достоинств другого, наиболее применимым является метод многокритериальной оптимизации, построенный на принципе Эджворта-Парето. В качестве метода сужения области парето-оптимальных решений применительно к данному типу задач, с дискретно изменяемыми параметрами оптимизации, предложена разработанная модификация метода целевого программирования.

Определение оптимальных параметров металлоконструкций барабана механизма подъема, а также балансиров механизма передвижения кранов и крановых тележек по критерию минимума металлоемкости предложено проводить модифицированным методом Хука-Дживса для решения задач оптимизации с ограничениями: при оптимизации все ограничения выполнять в подпрограммах, а основную управляющую программу построить по методу Хука-Дживса. В алгоритм Хука-Дживса ввести модификацию, заключающуюся в том, чтобы вместо изменения всех параметров «по образцу», изменять один, соответствующий минимуму целевой функции.

I. Для применения метода Парето к проектированию механизмов подъема предложен методика формирования области возможных решений при дискретном изменении кратности полиспаста на заданном интервале с расчетом всех возможных вариантов компоновки привода для каждого значения кратности, с подбором всех элементов: двигателей, управляющих устройств, редукторов, тормозов, муфт в зависимости от назначения крана, механизма и групп режима работы. Для выделения множества Парето-оптимальных решений разработан векторный критерий оценки качества решения, включающий в качестве составляющих девять критериев оптимальности, экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и габаритный размер передаточного механизма, массы барабана, каната, крюковой подвески, муфт, тормозов и коэффициент полезного действия механизма. Предложена модификация метода целевого программирования для сужения области парето-оптимальных решений с обоснованием выбора идеального вектора в многокритериальном пространстве, аналитической зависимостью для расчета метрики, по минимальному значению которой выбирается оптимальное решение.

Область возможных решений при проектировании механизмов передвижения крана и крановой тележки формируется в зависимости от типа и диаметра ходового колеса: для разных типов привода, двигателей, управляющих устройств, муфт, тормозов, трансмиссий, балансирной подвески колес, с учетом назначения и групп режима работы. Множество парето-оптимальных решений строится на основе векторного критерия оценки качества решения, включающего: экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и массу трансмиссии, массы балансиров, колес, муфт, тормозов рельсов и коэффициент полезного действия механизма. Оптимальное решение выбирается, как и для механизма подъема, по минимальному значению метрики, для расчета которой предложена аналитическая зависимость.

3. На основании предложенных математических моделей и критериев оптимизации разработаны методика и алгоритмы оптимального проектирования механизмов. Составлены базы данных всех комплектующих механизмов. Управление работой алгоритма оптимального проектирования механизма подъема осуществляется с помощью трехиндексной управляющей переменной, соответствующей схеме компоновки, значение индексов которой предопределяют автоматизированное обращение к массивам: двигателей, управляющих устройств и редукторов Управление алгоритмом оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек производится четырех-

индексной переменной, первый индекс которой выбирает схему привода, а значения остальных индексов предопределяют автоматизированное обращение к массивам: двигателей, управляющих устройств и редукторов.

Для возможности автоматизированного проектирования трансмиссий механизмов кранов с большими передаточными отношениями разработана методика компоновки приводов как серийно выпускаемыми редукторами с переходом при необходимости к схемам с открытой зубчатой передачей для механизмов режима нагружения 1М-ЗМ, так и вновь проектируемыми соосны-ми редукторами с большими передаточными отношениями, с дальнейшим сравнением решений по критериям оптимальности.

4. Задача проектирования оригинального редуктора является многовариантной, поэтому для выбора оптимального решения предложено использовать метод Парето Для формирования области возможных решений задачи разработана методика автоматизированного выбора схем соосных зубчатых передач на основе предложенного метода графического синтеза, позволяющего в зависимости от величины и знака передаточного отношения, а также качественных требований, предъявляемых к проектируемой передаче: равной контактной прочности, равной изгибной прочности, выбрать схему и определить параметры зубчатых колес. Составляющими векторного критерия оценки качества решения являются: масса и габаритный размер передачи, коэффициент перекрытия зубьев и коэффициент полезного действия. Для выбора оптимального решения получены аналитические соотношения построения идеального вектора и расчета метрики в соответствии с методом целевого программирования.

5. Разработан алгоритм оптимального проектирования соосных зубчатых передач, построенный по модульному принципу. Основной цикл алгоритма основан на дискретном изменении передаточного отношения с заданным шагом с точностью ± 2% от заданной величины.

6. В методике инженерного расчета изложен принцип организации многокритериальной оптимизации проектирования механизмов кранов пролетного типа на основе принципа Эджворта-Парето:

- на первом этапе формируется область возможных решений задачи, для механизмов подъема эта область включает все возможные решения для кратности полиспаста от 1 до 24 со всеми вариантами по двигателям, трансмиссиям, системам управления, для механизмов передвижения область возможных решений формируется в зависимости от типов и значений диаметров ходовых колес от 250 мм до 1000 мм со всеми вариантами по схемам привода, типам двигателей, трансмиссий и систем управления;

- на втором этапе путем исключения из области возможных решений не парето-оптимальных составляется область парето-оптимальных решений в соответствии с предложенными векторными критериями оценки качества решения;

- на третьем этапе выбирается оптимальное решение по минимальному значению метрики в соответствии с предложенной модификацией метода целевого программирования.

Если несколько решений получают близкие значения метрики, окончательное решение принимает конструктор, исходя из назначения и условий работы крана.

Предложенные теоретические основы доведены до конкретных систем проектирования механизмов кранов пролетного типа и апробированы применительно к реальной практике проектирования, годовой экономический эффект составил 1 млн. 680 тыс. рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чернова Н.М. К вопросу применения кватернионных матриц в задачах оптимизации тяжелых козловых кранов / Н.М. Чернова // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула: ТулГУ, 2001. — Вып. 3.-С. 238-243.

2. Чернова Н. М. Применение метода оптимального проектирования планетарных зубчатых передач к расчету передаточного механизма ручных лебедок / Н.М Чернова, В. А. Авдеев, Д. П. Кобзев // Подъемно-транспортная техника. - Одесса, 2002.- № 3 - 4,- С. 116 - 124.

3. Чернова Н. М. Выбор математической модели и критерия оптимальности при проектировании планетарных зубчатых передач / Н.М. Чернова И Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин: Сб. тр. межд. науч.-техн. конф,- Балаково: БИТТУ СГТУ, 2002.-С. 58 -62.

4. Чернова Н. М. Алгоритм оптимального проектирования планетарных зубчатых передач / Н.М. Чернова // Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин: Сб. тр. межд. науч.-техн. конф.- Балаково: БИТТУ СГТУ, 2002. - С. 62 - 65.

5. Чернова Н. М. Оптимальное проектирование крановых планетарных редукторов / Н.М. Чернова // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: Сб. тр. науч.-техн. конф.- Астрахань: Аст-рахан. гос. тех. ун-т, 2002,- С. 197-199.

6. Чернова Н. М. К вопросу определения КПД планетарных зубчатых передач / Н.М. Чернова // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2004. - Вып. 5. - С. 65-71.

7. Чернова Н. М. Проектирование планетарных зубчатых передач по условию равнопрочное™ при заданных габаритных размерах передачи/ Н.М. Чернова // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки - Новочеркасск, 2005.- Спецвыпуск,- С. 78-81.

8. Чернова Н. М. Целевая функция оптимального проектирования планетарных зубчатых передач грузоподъемных машин I Н.М. Чернова // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2005. -Вып. 6-С. 101-104.

9. Чернова Н.М. Применение метода графического синтеза к проектированию планетарных зубчатых передач: Учеб. пособие / Н. М. Чернова, В.А. Авдеев. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. 56 с.

10. Чернова Н.М. Исследование критериев оптимальности при проектировании планетарных зубчатых передач грузоподъемных машин/ Н.М. Чернова // Проблемы надежности и прочности строительных и машиностроительных конструкций. Межвузовский науч. сб.: Саратов: СГТУ. 2005.-С. 304-307.

И. Чернова Н. М. Метод графического синтеза соосных зубчатых передач / Н.М. Чернова II Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2005 .- Вып. 6- С. 104-108.

12. Чернова Н.М. Классификация планетарных зубчатых передач на основе метода графического синтеза / Н.М. Чернова //Совершенствование конструкций и методов расчета строительных, дорожных машин и технологий производства работ. Межвузовский науч. сб. - Саратов: СГТУ, 2006. С. 120-126.

13. Чернова Н. М. Оптимальное проектирование планетарных зубчатых передач: Монография / Н.М. Чернова - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006.184 с.

14. Чернова Н.М. Определение геометрических размеров планетарных зубчатых передач на основе метода графического синтеза / Н.М. Чернова // Совершенствование конструкций и методов расчета строительных, дорожных машин и технологий производства работ. Межвузовский науч. сб. -Саратов: СГТУ, 2006. С. 126-130.

15. Чернова Н. М. Исследование области существования планетарных зубчатых передач при условии равной контактной прочности / Н.М. Чернова. В.В. Чернышова И Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. -Тула, 2006.- С. 95-98.

16. Чернова Н. М. Синтез зубчатых передач типа Зк-Ь при оптимальном проектировании механизмов грузоподъемных машин/ Н.М. Чернова // Проблемы исследования и проектирования машин: Сб. тр. науч.-техн. конф,-Пенза: Пенз. Гос. ун-т, 2006,-С. 65-67.

17. Чернова Н. М. Проектирование планетарных зубчатых передач при условии равной изгибной прочности/ Н.М. Чернова // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2006.- С. 91-95.

18. Чернова Н.М. Автоматизированное проектирование планетарных зубчатых передач на основе метода графического синтеза / Н.М. Чернова// Современные информационные технологии строительной, машиностроительной, химической и энергетической промышленности: Сб. науч. тр., поев. 75-летию СГТУ- Саратов: СГТУ, 2006,- С. 146-151.

19. Чернова Н. М. Методика проектирования планетарных зубчатых передач грузоподъемных машин при условии равной изгибной прочности зубьев / Н.М. Чернова, В. А. Колокольцев // Дорожно-транспортный комплекс: состояние и перспективы развития: Сб. тр. межрегиональной науч.-практ. конф,- Чебоксары: Моск. авт.-дор. ин-т (гос. тех. ун-т) Волжский ф-л, 2007.-С. 41-45.

20. Чернова Н. М. Исследование геометрических параметров зубчатых передач типа Зк-11 при оптимальном проектировании механизмов грузоподь-

емных машин / Н.М. Чернова // Математическое моделирование, оптимизация технических, экономических и социальных систем. Межвузовский науч. сб.: Саратов: СГТУ. 2007. - С. 220-226.

21. Чернова Н.М. Особенности оптимального проектирования механизмов подъема груза кранов пролетного типа/ Н.М. Чернова // Проблемы исследования и проектирования машин: Сб. тр. межднар. науч.-техн. конф.-Пенза: Пенз. Гос. ун-т, 2008.- С. 55-57.

22. Чернова Н.М. Двухуровневая задача оптимального проектирования механизмов подъема груза / Н.М. Чернова //Вестник СГТУ - Саратов: СГТУ. 2008.- № 4(36) - С. 50-52.

23. Чернова Н.М. Применение метода Парето к оптимальному проектированию планетарных зубчатых передач / Н.М. Чернова // Проблемы исследования и проектирования машин: Сб. тр. межднар. науч.-техн. конф,-Пенза: Пенз. Гос. ун-т, 2008.- С. 53-55.

24. Чернова Н.М. Анализ схем электропривода механизмов подъемно-транспортных машин с точки зрения оптимальности выбора / Н.М. Чернова //Энергосбережение в Саратовской области - Саратов, 2008.-№4(34).- С. 20-22.

25. Чернова Н.М. Автоматизация оптимального проектирования механизма подъема подъемно-транспортных машин/ Н.М. Чернова // Современные технологии в машиностроении: Сб. тр. межднар. науч.-техн. конф.- Пенза: Пенз. Гос. ун-т, 2008,- С.227-229.

26. Чернова Н.М. Выбор критериев и метода оптимального проектирования механизмов передвижения кранов/ Н.М. Чернова // Наука: 21 век. - Саратов, 2008.-№2,- С. 11-15.

27. Чернова Н.М, Оптимальное проектирование планетарных зубчатых передач на основе принципа Эджворта-Парето/ Н.М. Чернова // Информационные технологии в науке, образовании, технологии: Сб. тр. всероссийск. науч. конф.. - Якутск: Якуте, гос.ун-т, 2008. С. 93-95.

28. Чернова Н.М. Разработка метода оптимального проектирования механизма подъема подъемно-транспортных машин/ Н.М. Чернова // Современные технологии в машиностроении: Сб. тр. межднар. науч.-техн. конф,-Пенза: Пенз. Гос. ун-т, 2008,- С.229-231.

29. Чернова Н.М. Разработка целевой функции оптимального проектирования механизмов подъема груза по критерию первого уровня / Н.М. Чернова //Вестник СГТУ - Саратов: СГТУ. 2009.-№1(37).- С.71-74.

/Ь

Чернова Наталья Михайловна

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ ПРОЛЕТНОГО ТИПА

Автореферат

Подписано в печать 20.02.2009. Формат 60x84 Vie- Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,89. Тираж 150 экз. Заказ 77.

Издательство ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние проблемы и направления исследования.

1.1. Обзор и анализ методов исследований в области оптимального проектирования.

1.2. Выбор методов оптимизации.

1.3. Анализ и выбор математической модели исследуемой системы.

1.4. Направления и задачи исследования.

2. Оптимальное проектирование механизма подъема груза.

2.1. Выбор типа электропривода и управляющего устройства.

2.1.1. Электропривод постоянного тока.

2.1.2. Электропривод переменного тока.

2.1.3. Управляющие устройства электропривода переменного тока.

2.1.4. Оценка экономической эффективности выбора электропривода и управляющих устройств.

2.2. Выбор типа зубчатой передачи.

2.2.1. Обзор серийно выпускаемых редукторов, применяемых в подъемно-транспортных машина.

2.2.2. Обзор планетарных механизмов, применяемых в подъемно-транспортных машинах.

2.3. Выбор критериев и метода оптимизации механизма подъема груза.

2.4. Методика расчета механизма подъема.

2.5. Автоматизация оптимального проектирования механизма подъема.

2.6. Выводы.

3. Исследование планетарных зубчатых передач методом графического синтеза.

3.1. Метод графического синтеза соосных зубчатых передач.

3.2. Синтез планетарных зубчатых передач типа 2k-h.

3.2.1. Классификация планетарных зубчатых передач типа 2k-h.

3.2.2. Методика определения геометрических размеров зубчатых колес с приводом на центральное колесо.

3.2.3. Методика определения геометрических размеров зубчатых колес с приводом на водило.

3.3. Синтез планетарных зубчатых передач типа Зк.

3.3.1. Классификация и графический синтез планетарных зубчатых передач типа Зк.

3.3.2. Методика определения геометрических размеров зубчатых колес передач типа 3 к.

3.4. Выводы.

4. Оптимальное проектирование планетарных зубчатых передач.

4.1. Выбор математической модели и критериев оптимальности проектирования планетарных зубчатых передач.

4.2. Выбор ограничений решаемой задачи.

4.2.1. Контактная прочность.

4.2.2. Изгибная прочность.

4.2.3. Условие отсутствия заклинивания.

4.3. Синтез планетарной передачи типа 2k-h по условию равной контактной прочности.

4.4. Синтез планетарной передачи типа 2k-h по условию равной изгибной прочности.

4.5. Исследование планетарных зубчатых передач по критерию энергоемкости.

4.6. Исследование планетарных зубчатых передач по коэффициенту перекрытия.

4.7. Методика проектировочного расчета.

4.8. Алгоритм оптимального проектирования планетарных зубчатых передач.

4.9. Выводы.

5. Оптимальное проектирование механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

5.1. Выбор критериев и метода оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

5.2. Особенности оптимального проектирования механизмов передвижения кранов.

5.3. Автоматизация оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

5.4. Выводы.

6. Методика инженерного расчета и оценка эффективности исследования.

6.1. Методика инженерного расчета механизма подъема груза.

6.2. Алгоритм оптимального проектирования механизма подъема груза.

6.3. Оценка эффективности методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов подъема.

6.4. Методика инженерного расчета механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

6.5. Алгоритм оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

6.6. Оценка эффективности методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов передвижения.

6.7. Выводы.

Механизация подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ в подавляющем большинстве решается с помощью кранов различных типов. От эффективности работы кранов во многом зависит эффективность работ в строительстве, промышленности, судостроении, сельском хозяйстве, на транспорте.

Поэтому весьма актуальным является совершенствование приводов и металлоконструкций кранов с целью повышения производительности, точности позиционирования грузов, повышения безопасности производства работ. Особенную актуальность имеет задача повышения технического уровня специальных кранов, входящих в технологический цикл производства работ. К таким кранам относятся монтажные, металлургические, судостроительные краны, краны для обслуживания гидравлических, тепловых и атомных станций, перегрузочные краны портов. От эффективности работы механизмов кранов зависит их производительность, безопасность производства работ, надежность крана в целом. Приводы таких кранов отличаются большим многообразием по мощности, передаточному отношению, скоростям передвижения и подъема груза, точности посадки груза. При проектировании специальных кранов часто невозможно выбрать серийно изготавливаемый редуктор, главным образом по величине передаточного отношения, в этом случае заводам-изготовителям кранов или специализированным предприятиям приходится проектировать и изготавливать оригинальный редуктор. При этом требуется выполнить ряд ограничений: по массе, габаритам, передаточному отношению, уровню шума, энергоемкости. Таким ограничениям зачастую удовлетворяют планетарные редукторы, в частности, разработанные в последние годы планетарные зубчатые механизмы на основе передач типа 2k-h, 3k, замкнутых дифференциальных. Методика расчета таких типов передач достаточно детально разработана в работах В. Н. Кудрявцева, Л. Н. Решетова,

Ю. Н. Кирдяшева, И. И. Артоболевскгого, С. А. Чернявского, В. В. Брагина, Ю. А. Державеца, И. А. Болотовского и др. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], но методы выбора наилучшего решения по указанным выше ограничениям требуют дальнейшего развития.

Решение задач повышения эффективности работы кранов в современных условиях невозможно без применения методов оптимального проектирования, позволяющих снизить энергоемкость производства работ, металлоемкость приводов, от чего, как известно [9], большей частью зависит стоимость приводов.

Методы оптимального и автоматизированного проектирования нашли широкое применение в краностроении и позволяют решать целый ряд сложных инженерных задач. При этом можно назвать выдающихся отечественных и зарубежных ученых, сделавших большой вклад в теорию оптимального и автоматизированного проектирования: В. И. Брауде, М. М. Гохберг, А. П. Кобзев, В. Г. Соловьев, А. С. Липатов, А. В. Олешкевич, В. JI. Лифшиц, И. А. Невзоров, И. М. Соболев, Р. Б, Статников, А. А. Короткий, Д. Хедли, Д. Уайлд, Б. Банди, Н. Н. Панасенко, А. Н. Орлов, В. Н. Демокритов, Фам Ван Хой, В.Я. Недоводеев, Е. М. Кудрявцев, Д.И. Батищев, Д.Н. Решетов, Г. Реклейтис, А. Рейнвиндран, К. Рэксдел, В.Н. Тарасов, и другие [9, 10, 11, 12, 13, 13, 14, 15, 16,17, 18, 19, 20,21,22, 23,24, 25,26,27, 28, 29, 30,31].

Однако в связи с развитием теории оптимального проектирования в целом, и развитием новых типов приводов и систем их управления, а также в связи с повышением требований к энергоемкости, металлоемкости кранов и крановых механизмов прикладная теория оптимального и автоматизированного проектирования должна получить дальнейшее развитие.

На основании изложенного в настоящей работе проводится совершенствование приводов механизмов кранов пролетного типа с целью снижения металлоемкости и энерговооруженности на основе дальнейшего развития теории оптимального и автоматизированного проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выбрать методы оптимизации и модифицировать их применительно к решению задач оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа.

2. Разработать математические модели и выбрать критерии оптимального проектирования механизмов.

3. Обосновать методику и алгоритмы оптимального проектирования механизмов подъемов кранов и механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

4. Разработать методику оптимального проектирования зубчатых передач соосного типа и автоматизированного выбора схем соосных зубчатых передач в зависимости от требуемых технологических, прочностных и качественных характеристик.

5. Составить алгоритм оптимального проектирования соосных зубчатых передач применительно к решаемой задаче.

6. Предложить методику инженерного расчета оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа на основании разработанной теории.

Основная научная идея. Разработка теории оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа с применением методов многокритериальной оптимизации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод решения многокритериальной задачи оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, основанный на принципе Парето.

2. Методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов подъема.

3. Методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

4. Векторные критерии оценки качества решения задач оптимального проектирования механизмов подъема кранов.

5. Векторные критерии оценки качества решения задач оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.

6. Модификация метода целевого программирования для сужения области парето-оптимальных решений.

7. Метод решения многокритериальной задачи оптимального проектирования передаточных механизмов с большими передаточными отношениями на основе принципа Парето.

8. Теоретические положения оптимального проектирования соосных зубчатых передач.

9. Методика определения оптимальных параметров металлоконструкций барабанов механизмов подъема и металлоконструкций балансиров механизмов передвижения.

Новизна научных положений: впервые предложено решение многокритериальной задачи оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, основанное на принципе Парето, включающее три этапа: формирование области возможных решений; выделение области парето-оптимальных решений; определение оптимального решения;

- разработана методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов подъема для кратностей полиспаста от 1 до 24, позволяющая учесть все возможные варианты по типам электроприводов и управляющих устройств, трансмиссий, канатов, муфт и тормозов; формирование области возможных решений задач оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек рекомендовано осуществлять при дискретно изменяемых значениях диаметра ходового колеса от 250 мм до 1000 мм, что позволяет учесть все возможные конструктивные схемы компоновки механизмов; для механизма подъема предложен векторный критерий оценки качества решения, включающий в качестве составляющих девять критериев оптимальности: экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и габаритный размер передаточного механизма, массы барабана, каната, крюковой подвески, муфт, тормозов и коэффициент полезного действия механизма;

- предложен векторный критерий оценки качества решения при проектировании механизмов передвижения, состоящий из девяти критериев оптимальности: экономической оценки двигателя и управляющего устройства, стоимости и массы трансмиссии, масс балансиров, колес, рельсов, муфт, тормозов и коэффициента полезного действия механизма;

- разработана модификация метода целевого программирования для выбора оптимального решения задач проектирования механизмов подъема и передвижения из множества парето-оптимальных решений по минимальному значению метрики;

- впервые предложена методика многокритериального оптимального проектирования передаточных механизмов с большими передаточными отношениями: на первом этапе выполняется формирование области возможных решений на основе схем планетарных передач типа 2k-h, 3k, с учетом прочностных ограничений и требуемых качественных характеристик; на втором — формирование области парето-оптимальных решений в соответствии с предложенным векторным критерием оценки качества решения, включающим: массу и габаритный размер передачи, коэффициент перекрытия и коэффициент полезного действия; на третьем - выбор оптимального решения по минимальному значению метрики в соответствии с предложенной модификацией метода целевого программирования;

- разработан метод графического синтеза соосных зубчатых передач, позволяющий в зависимости от величины и знака передаточного отношения, а также требуемых качественных характеристик определять схему и геометрические параметры зубчатой передачи;

- обосновано применение модифицированного метода Хука-Дживса для определения оптимальных параметров барабанов механизмов подъема и балансиров механизмов передвижения, позволяющего получить конструкции минимальной металлоемкости.

Достоверность полученных результатов подтверждается выбором соответствующих задаче физических предпосылок; применением апробированных законов механики, математики, теории механизмов и машин, методов математического моделирования, методов оптимизации; сопоставлением результатов аналитического исследования с данными математического моделирования; сравнительным анализом полученных результатов с известными.

Практическая значимость работы. Проведенные научные исследования и полученные результаты обеспечили возможность разработки методик автоматизированного оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа и их трансмиссий, а также позволили достичь снижения металлоемкости и энерговооруженности кранов, затрат труда конструкторов на стадии проектирования.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований внедрены:

- в ЗАО Научно-производственная фирма «Авангард-ф» г. Саратов в виде технических предложений по выполнению конструктивных схем погрузочно-разгрузочных и подъемно- транспортных работ; методики расчета механизмов кранов пролетного типа;

- ОАО «Строймаш» г. Саратов в виде методики оптимального проектирования планетарных зубчатых передач грузоподъемных машин;

- ООО Инженерно-консультационный центр «Мысль» Новочеркасского государственного технического университета г. Новочеркасск в виде методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов подъема.

- подразделении технопарка БИТТУ СГТУ и ООО ИКЦ «Крансервис» при выполнении модернизация механизмов подъема и передвижения пяти козловых кранов К2><125 Нижегородской ГЭС; двух кранов К2х 180/50 Саратовской ГЭС.

Результаты исследований используются в курсах лекций «Грузоподъемные машины», «Специальные краны», «Погрузочно-разгрузочные машины», «САПР ПТМ», «Теория механизмов и машин», которые читаются для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», а также в дипломном и курсовом проектировании. По материалам исследования опубликовано учебное пособие, методические указания к курсовому проектированию, которые широко используются в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях «Перспективы развития подъемно-транспортной техники» (г. Одесса, 2002 г.); «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г. Астрахань, 2002 г.); конференции, посвященной 100-летию Г.П. Ксюнина (г. Новочеркасск, 2005 г.); научно-технических конференциях Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного университета (19902008 гг.);

- заседаниях технического совета ОАО «Строймаш» (г. Саратов, 2002г.);

- Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, технологии» (г. Якутск, 2008 г.)

- межрегиональной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс: состояние и перспективы развития» (г. Чебоксары, 2007 г.);

- Международных научно-технических конференциях «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (г. Балаково, 2002 г.); «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2006, 2008 гг.); «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, в том числе монография. Из указанного числа работ 9 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ для докторских диссертаций.

6.7. Выводы

1. Предложен метод многокритериальной оптимизации проектирования механизмов кранов пролетного типа на основе принципа Эджворта-Парето:

- на первом этапе формируется область возможных решений задачи: для механизмов подъема эта область включает все возможные решения для кратности полиспаста от 1 до 24 со всеми вариантами по двигателям, трансмиссиям, системам управления; для механизмов передвижения область возможных решений формируется в зависимости от типов и значений диаметров ходовых колес от 250 мм до 1000 мм со всеми вариантами по схемам привода, типам двигателей, трансмиссий и систем управления;

- на втором этапе путем исключения из области возможных решений не-парето-оптимальных составляется область парето-оптимальных решений в соответствии с предложенными векторными критериями оценки качества решения;

- на третьем этапе выбирается оптимальное решение по минимальному значению метрики в соответствии с предложенной модификацией метода . целевого программирования,

2. Даны рекомендации к применению программы оптимального проектирования механизмов подъема кранов, в том числе: по выбору типа каната и двигателя; сокращению машинного времени расчета за счет определения приоритетных вариантов компоновки привода механизма подъема и исключения заведомо неприемлемых вариантов.

3. Разработаны алгоритмы и программы оптимального проектирования, составленные по модульному принципу, включающие основную управляющую программу, а также подпрограммы CRAT подбора диаметра каната и определения кратности полиспаста, DVIG, MUV, TOR, PODV — выбора двигателя, муфт, тормозов, подвески, для чего составлены соответствующие базы данных; RED, ZUB, INV — выбора редуктора, расчета и определения угла зацепления открытой зубчатой передачи; BAR - проектирования барабана с минимальной массой, для чего разработаны подпрограмма GB — определения силы веса барабана, DBAR - исследования влияния диаметра барабана на его металлоемкость; NAPR - определения эквивалентного напряжения в стенке барабана с учетом напряжений сжатия, изгиба и кручения; подпрограммы VAL, OS, POP - расчета валов, осей, подшипниковых опор барабана; RDPN -проверки выбранного двигателя по условиям пуска и нагрева; UPR — выбора управляющего устройства электропривода; MATPAR — формирования области парето-оптимальных решений и выбора оптимального решения на основе сужения данной области.

4. Для организации работы с программой оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек даны рекомендации по выбору типа ходовых колес и рельсов из базы данных программы. Предложены возможности сокращения времени расчета за счет предварительного выбора схемы привода.

5. Разработаны алгоритмы и программы оптимального проектирования механизма передвижения кранов и крановых тележек, составленные по модульному принципу.

6. В программах оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа предусмотрена возможность проектирования несерийных редукторов с большими передаточными отношениями с использованием алгоритмов оптимального проектирования соосных зубчатых редукторов.

7. Для оценки эффективности применения предложенных методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов подъема выполнен проект модернизации механизма подъема полярного крана КМ 320/160/ 2^70

Балаковской АЭС. При этом получено: снижение металлоемкости барабана на 13 %; металлоемкости и габаритных размеров тихоходной ступени зубчатой передачи соответственно на 26% и 58 %.

8. Для оценки эффективности применения методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов передвижения выполнен проект модернизации механизма передвижения козлового крана К2х 180/50 Саратовской ГЭС. По сравнению с базовым вариантом металлоемкость балансиров полученного решения снизилась с 15,75 т до 8,647 т — на 45,1%; металлоемкость механизма передвижения в целом с 143,930 т до 70,307 т — на 51,1%. Снижение установленной мощности за счет выбора оптимальной схемы электропривода, управляющего устройства и трансмиссии составило 4,5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение для развития прикладной теории оптимального и автоматизированного проектирования приводов грузоподъемных машин, а именно: разработан новый теоретический подход к оптимальному и автоматизированному проектированию механизмов кранов пролетного типа с применением метода многокритериальной оптимизации.

В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1. Для решения задач оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, когда критерии оптимизации имеют различную природу, и недостаток в одном показателе не может быть скомпенсирован за счет достоинств другого, наиболее применимым является метод многокритериальной оптимизации, построенный на принципе Эджворта-Парето. В качестве метода сужения области парето-оптимальных решений применительно к данному типу задач, с дискретно изменяемыми параметрами оптимизации, предложена разработанная модификация метода целевого программирования.

Определение оптимальных параметров металлоконструкций барабана механизма подъема, а также балансиров механизма передвижения кранов и крановых тележек по критерию минимума металлоемкости предложено проводить модифицированным методом Хука-Дживса для решения задач оптимизации с ограничениями: при оптимизации все ограничения выполнять в подпрограммах, а основную управляющую программу построить по методу Хука-Дживса. В алгоритм Хука-Дживса ввести модификацию, заключающуюся в том, чтобы вместо изменения всех параметров «по образцу», изменять один, соответствующий минимуму целевой функции.

2. Для применения метода Парето к проектированию механизмов подъема предложена методика формирования области возможных решений при дискретном изменении кратности полиспаста на заданном интервале с расчетом всех возможных вариантов компоновки привода для каждого значения кратности, с подбором всех элементов: двигателей, управляющих устройств, редукторов, тормозов, муфт в зависимости от назначения крана, механизма и групп режима работы. Для выделения множества Парето-оптимальных решений разработан векторный критерий оценки качества решения, включающий в качестве составляющих девять критериев оптимальности: экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и габаритный размер передаточного механизма, массы барабана, каната, крюковой подвески, муфт, тормозов и коэффициент полезного действия механизма. Предложена модификация метода целевого программирования для сужения области парето-оптимальных решений с обоснованием выбора идеального вектора в многокритериальном пространстве, аналитической зависимостью для расчета метрики, по минимальному значеншо которой выбирается оптимальное решение.

Область возможных решений при проектировании механизмов передвижения крана и крановой тележки формируется в зависимости от типа и диаметра ходового колеса: для разных типов привода, двигателей, управляющих устройств, муфт, тормозов, трансмиссий, балансирной подвески колес, с учетом назначения и групп режима работы. Множество парето-оптимальных решений строится на основе векторного критерия оценки качества решения, включающего: экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и массу трансмиссии, массы балансиров, колес, муфт, тормозов рельсов и коэффициент полезного действия механизма. Оптимальное решение выбирается, как и для механизма подъема, по минимальному значению метрики, для расчета которой предложена аналитическая зависимость.

3. На основании предложенных математических моделей и критериев оптимизации разработаны методика и алгоритмы оптимального проектирования механизмов. Составлены базы данных всех комплектующих механизмов. Управление работой алгоритма оптимального проектирования механизма подъема осуществляется с помощью трехиндексной управляющей переменной, соответствующей схеме компоновки, значение индексов которой предопределяют автоматизированное обращение к массивам: двигателей, управляющих устройств и редукторов. Управление алгоритмом оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек производится четырехиндексной переменной, первый индекс которой выбирает схему привода, а значения остальных индексов предопределяют автоматизированное обращение к массивам: двигателей, управляющих устройств и редукторов.

Для возможности автоматизированного проектирования трансмиссий механизмов кранов с большими передаточными отношениями разработана методика компоновки приводов как серийно выпускаемыми редукторами с переходом при необходимости к схемам с открытой зубчатой передачей для механизмов групп режимов работы 1М-ЗМ, так и вновь проектируемыми соосными редукторами с большими передаточными отношениями, с дальнейшим сравнением решений по критериям оптимальности.

4. Задача проектирования оригинального редуктора является многовариантной, поэтому для выбора оптимального решения предложено использовать метод Парето. Для формирования области возможных решений задачи разработана методика автоматизированного выбора схем соосных зубчатых передач на основе предложенного метода графического синтеза, позволяющего в зависимости от величины и знака передаточного отношения, а также качественных требований, предъявляемых к проектируемой передаче: равной контактной прочности, равной изгибной прочности, выбрать схему и определить параметры зубчатых колес. Составляющими векторного критерия оценки качества решения являются: масса и габаритный размер передачи, коэффициент перекрытия зубьев и коэффициент полезного действия. Для выбора оптимального решения получены аналитические соотношения построения идеального вектора и расчета метрики в соответствии с методом целевого программирования.

5. Разработан алгоритм оптимального проектирования соосных зубчатых передач, построенный по модульному принципу. Основной цикл алгоритма основан на дискретном изменении передаточного отношения с заданным шагом с точностью ± 2% от заданной величины.

6. В методике инженерного расчета изложен принцип организации многокритериальной оптимизации проектирования механизмов кранов пролетного типа на основе принципа Эджворта-Парето:

- на первом этапе формируется область возможных решений задачи: для механизмов подъема эта область включает все возможные решения для кратности полиспаста от 1 до 24 со всеми вариантами по двигателям, трансмиссиям, системам управления; для механизмов передвижения область возможных решений формируется в зависимости от типов и значений диаметров ходовых колес от 250 мм до 1000 мм со всеми вариантами по схемам привода, типам двигателей, трансмиссий и систем управления;

- на втором этапе путем исключения из области возможных решений не парето-оптимальных составляется область парето-оптимальных решений в соответствии с предложенными векторными критериями оценки качества решения;

- на третьем этапе выбирается оптимальное решение по минимальному значению метрики в соответствии с предложенной модификацией метода целевого программирования.

Если несколько решений получают близкие значения метрики, окончательное решение принимает конструктор, исходя из назначения и условий работы крана.

Предложенные теоретические основы доведены до конкретных систем проектирования механизмов кранов пролетного типа и апробированы применительно к реальной практике проектирования, годовой экономический эффект составил 1 млн. 680 тыс. рублей в год.

1. Планетарные передачи. Справочник./Под редакцией Кудрявцева В. Н., Кирдяшева Ю. Н.- Л.: Машиностроение, 1977.-535 с.

2. Решетов Л. Н. Планетарные передачи/ Детали машин: Расчет и конструирование. Т.З/ Под редакцией Н. С. Ачеркана. М.: Машиностроение, 1969,- 471 с.

3. КирдяшевЮ. Н. Многопоточные передачи дифференциального типа. Л.: Машиностроение, 1981. 232 с.

4. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин,- М.: Наука, 1988.639 с.

5. Проектирование механических передач / С. А. Чернавский, Г. М. Ицкович, В. А. Киселев и др. М.: Машиностроение, 1976.- 608 с.

6. Брагин В. В. Проектирование высоконапряженных цилиндрических зубчатых передач / В. В. Брагин, Д. Н. Решетов. М.: Машиностроение, 1991.-224 с.

7. Державец Ю. А., Шоломов Н. М. Методика расчета зубчатых колес с тонким ободом // Вестник машиностроения. 1990. № 7. с. 33-37.

8. Справочник по геометрическому расчету эвольвентны зубчатых и червячных передач / Т. П. Болотовская, И. А. Болотовский, Г.С.Бочаров и др.; Под ред. И. А. Болотовского. М. Машгиз, 1963. 472 с.

9. Справочник по кранам. В 2-х томах./Александров М. П., Брауде В. И., Гохберг М. М. и др.; Под общ. Ред. Гохберга М. М.-Л.: Машиностроение, 1988, т. 2.- 559 с.

10. Справочник по кранам. В 2-х томах./Под редакцией Гохберга М. М.-М.: Машиностроение, 1988, т. 2.- 535 с.

11. Кобзев А. П. Оптимальное проектирование тяжелых козловых кранов. Саратов: Изд. Сарат. ун-та, 1991.- 160 с.

12. Соловьев В. Г. Автоматизация эскизного проектирования крановых механизмов подъема// Вестник машиностроения. — 1987. № 7.6. с. 44-46.

13. Липатов А. С. Развитие работ по автоматизированному проектированию ПТО во ВНИИПТМАШе // Проблемы развития и совершенствования подъемно-транспортной техники. Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. -М.: 1988. с. 10-11.

14. Олешкевич А. В. Оптимизация основных параметров механизма подъема кранов мостового типа / Ульяновск, политехи, ин-т. Ульяновск, 1986. 31 с.-Деп. вЦНИИТЭИтяжмаш 12.11.86 № 1789-ТМ 86.

15. ЛифшицВ. Л. Оптимальное проектирование крановых металлоконструкций / В. Л. Лифшиц, Л. А. Невзоров, И. М. Смородинский. М.: ЦНИИГГЭИстроймаш, сер. 1, разд. 2, 1974. -54 с.

16. Невзоров Л. А'. Башенные краны / Л. А. Невзоров, Г. Н. Пазельский, В. А. Романюха.- М.: Высшая школа, 1976. 344 с.

17. Соболь И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь, Р. Б. Статников. М.: Наука, 1981. 112 с.

18. Хальфин М. Н. Проектирование крановых механизмов/ М. Н. Хальфин, А. А. Короткий, В. Г. Полежаев и др. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. -224 с.

19. Хедли Д. Нелинейное и динамическое программирование. М.: Мир, 1967.-506 с.

20. Уайльд Д. Методы поиска экстремума. М.: Наука, 1967. 268 с.

21. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

22. Панасенко Н. Н. Сейсмостойкие подъемно-транспортные машины атомных станций / Н. Н. Панасенко, С. Г. Божко. М.: Машиностроение, 1988.-208 с.

23. ОрловА. Н. Оптимизация крановых конструкций и ихtавтоматизированное проектирование. JL: ЛПИ им. Калинина, 1987. -85с.

24. Демокритов В. Н. Расчет главных балок крановых мостов. Вестник машиностроения, 1966. № 1. С. 3-5.

25. Фам Ван Хой Вопросы оптимизации металлических листовых конструкций козловых кранов общего назначения: Автореф. канд. техн. наук/Л.: ЛПИ, 1982.-16 с.

26. Недоводеев В. Я. Методика расчета и оптимального проектирования рамных порталов портальных кранов// Исследование оптимальных металлоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин. Саратов, 1984. С. 12-18.

27. Кудрявцев Е. М. Исследование операций в задачах, алгоритмах и программах. М.: Радио и связь, 1984. — 184 с.

28. БатищевД. И. Методы оптимального проектирования. М.: Радио и связь, 1984. 248 с.

29. Расчет деталей машин на ЭВМ /Под ред. Д. Н. Решетова, С. А. Шувалова. М.: Высшая школа, 1985. — 368 с.

30. Реклейтис Г., Рейнвиндран А., Рэксдел К. Оптимизация в технике. В 2 т. / Пер. с англ. Т. 1. М.: Мир, 1986.- 256 с. Т. 2. М.: Мир, 1986. 320 с.

31. Тарасов В. Н. Оптимальное проектирование механизма управления стрелой с пневмогидроаккумулятором. Деп. ЦНИИТЭСстроймаш, 1980. №203.

32. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. М.: Мир, 1978. 238 с.

33. Геминтерн В. И. Методы оптимального проектирования / В. И. Геминтерн, Б. М. Каган. М.: Энергия, 1980. 160 с.

34. Hestenes М. R., Stiefal Е. Methods of Conjugate Gradients for solving Linear Systems. VBS, Res. Y., 1952. p. 409-436.35