автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Система виброизоляции вибропогружателей, работающих со стреловыми самоходными кранами

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛСЦИИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

на праваг рукописи УДК:б24.155.15-068:621.873.3

Михаилов Юриа Анатольевич

СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ ВИБРОПОГРУЖАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ СО СТРЕЛОВЫМИ

САМОХОДНЫМИ КРАНАМИ

05.05.04 - Дорожные и строительные машины

Автореферат диссертации на сбисканке ученоа степени кандидата технических наук -

С-- Петербург 1992

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидромеханизации, санитарно-техничэских и специальных строительных работ (ВНИИГС).

Научный руководитель! кандидат технических наук Г.Г.Азбэль

Официальные оппоненты! доктор технических наук, профессор И.С.Шейнин кандидат технических наук, доцент В.В.Карпов

Ведущее предприятие» ШО ВНИИстройдормаш

Заютга состоится " ^ " /-/РЛС^рЗ 1Э92 г. в часов

на заседании специализированного совета К 063.31.04 при С.-Петербургском инженерно-строительном институте по адресу! 198103, г.С.-Петербург, ул.Курляндскай. д.2/5, аудитория 34С С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной биб-' лиотоке института.

Автореферат разослан " /е- октября 1992г.

Учоныа секретарь Специализированного совета к.т.н.,доцент

П. Д. Алексееяко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Начиная с 70-х годов во многих странах мира, в том числа и в СССР, производство переориентируется на ресурсосберегающие технологии. В фундамектостроонии это означает многократную оборачиваемость ипунта, труб и других погружаемых в грунт, а затем извлекаемых строительных элементов. Для праводония работ по погружению и извлечению .широко используют стреловые самоходные краны совместно с вибрационными механизмами, чоторие при высокой производительности работ обеспечивают сохранность элементов для повторного использования. При этом возникают обоснованные опасения относительно прочности металлсконстругадии кранов при воздействии на них динамических нагрузок- В особенности это относится к технологии ведения работ, при которой вибропогружатель свободно нэвешивается на крюк крана. Использование опираемой на грунт копровой стойки в значительной мерз снимает проблему виброзащиты, но при этом в 2-2,5 раза снижается производительность ведения работ - До настоящего времени проектирование виброзащитных

средств осуществлялось из основе' рзсчота динамических нагрузок,

,-к 1

передающихся от вибропогружателя на крюк крана. При таком подходе не определяются напряжения в наиболее нагруженном элементе металлоконструкции крана - стреле и не может быть гарантирована безопасность при совместной эксплуатации вибропогружателя и крана.

Целью работы является разработка системы вийроизоляции вибропогружателей,' используемых со стреловыми самоходными :<ранами, обесгочиваквдэй безопасную эксплуатацию оборудования.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цеди решались следующие задачки

- выбор критериев виброизоляции в установившемся и переходных режимах работы вибропогружателя»

- теоретическое исследование, динамики колебательной системы

., . е"»' '

"вибропогружатель - виброизолятор - кран" в установившемся и переходных режимах работы вибропогружателя|

- экспериментальное исследование влияния основных параметров вибропогружателя на величину динамических нагрузок в метзллокон-стругадаи стрелы крана; сопоставление результатов теоретических исследования с данными ¡-ксперимонтов;

- определение _путей повышения эффективности системы виброизоляции вибропогружателя« .

- анализ авзрияных ситуаций, возникающих при работе вибропогружателя с краном и разработка мер для их предотвращения.

Решение поставленных задач производится на примере производства работ по погружению к извлечению металлического шпунта, как наисолее широкой области применения вибропогружателей.

Научная новизна. В результате исследований для установившегося и переходных режимов работы вибропогружателя выбраны критерии вибрсизоляции, соблюдение Которых обеспечивает безопасную эксплуатацию крана в течение всего срока службы. •

Получены аналитические зависимости для определения значении рез'онансных частот системы "бибропогружатвль-виброизолтхзр-кран" и величин динамических на!рузок в металлоконструкции стрелы, во время установившегося и переходных режимов работа Вибропогружателя.

Установлен характер влияния Основных параметров вибропогружателя на величину ййнамических йагрузок, действующих на металлокон-•струкцю; стрелы 1фана.

Выполнен анализ аварийных ситуацйй* возникающих При работе крана с эийропотружатвАэм!

Пра;спгеес^я ценность. Йолучоннзя в результате проведанных исследований моуодака расчета системы виЗро изоляции вибропогружателей, работэодлх со стреловыми самоходными кранами, может быть мспользованз при проектировании вибропогружателей, а также для

оценки безопасности использования готового оборудования и определения диапазона изменения эксплуатационных параметров машн-Применение системы виброизоляции позволяет получить экономический эффект за счет использования крана без копровой стояки.

Реализация работы. Результаты работы использованы при составлении инструкция по эксплуатации вибропогружателей типа 3-401 с кранами КС-5353В, КС-4361А, МКГ-25-01 н.э работах по погружен™ и извлечению металлического шпунта. Инструкции утверждены зээодами-изготовителями кранов (для МКГ-25.01 -• организация - проектировщиком крана). '

Работы по оборудованию комплектов масин "вибропогружатель -кран" системой виброизоляции, разработанной с участием автора, были выполнены в организациях* Управлении строительством - И, трестах "Спецтоннельстрой", "Спецстроя", "Лзкмостостроа", (г.Санкт- Петербург), Управлении строительством -19 (г.Северодвинск), трестах "Казаньспецстроя", "Гидрссгецстрой" (г.Казань ).

Апробация рзботы. Основные результаты работы докоадьгаались на Всесоюзном Совещании* "Вибрационная техника и технология ■свая-ных работ и проходки скважин" (1991г)! 48-я научной конференции профессоров, преподавателей, 'научных работников и аспирантов С.-ГКСИ (1992г); научно-техническом Совете ВНОТГС-

Публикации. По теме диссертация опубликовано 1С печатных

работ.

Структура и обьем рзботы. Диссертация состоит из взедэния, четырех -глав, основных выводов, списка литературы из 102 наименования, в том числе 90 на русском язькз, и 4 приложения. Работа содержит 108 стрэниц машинописного текста, <32 рисунка и 2 таблицы.

На защиту выносятся! - мзтомзткческиэ модели колебательной систэны» 'вибропогружатель г вийроизолятор - кран" для установившегося и переходных ренгамов

работы вибропогружателя;

- результаты теоретических и экспериментальные исследований процесса динамического нагружения металлоконструкции стрелы крана в установившемся и переходных режимах работы вибропогружателя!

- методика расчета системы.виброизоляции вибропогружателя, работающего со стреловым ■ самоходным краном.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темь: диссертации, сформулирована цэль работы и кратко изложено ее содержание.

Первая глава посвяшена состоянию вопроса и постановке задач исследований.

При работе вибропогружателя со стреловым самоходным краном возникает опасность усталостного разрушения' стрелы вследствие действия динамических нагрузок высокой интенсивности.

В настоящее время в России и за рубежом основным средством виброкзоляции вибропогружателей являются амортизаторы. Исследованию их характеристик посвяшены работы Н.В-Брагинской. Н.П.Колесника,- В.М.Комарова, К.К.Костина, В.Ф.Панина, М.М.Пициелаурй', С.Ф.Потапова, 0.А.Савинова, А.Л.Цая, ' В.И.Ченчиковского, А.Ф.Шевченко, Р.Г.Юркина и др.

В практике расчета параметров амортизаторов берется за основ расчетная схема груза на пружине и определяется коэффициент вибро-

.ИЗОЛЯЦЮ»

р*,»1/<1-(ы/р>2) (1)

где: ы - частота вылуждающра силы; р-и/юг - частота собственны! чолэбэний вибропогружателя, подвешенного, на амортизаторе; с- жесткость-пружин амортизатора; т - масса вибровозбудотеля. К.К.Костин, А-Л.Цая, Р.Г.Юркин рекомендуют - 1/16+1/40, 0-Л.Савинов - 1/10. :>ти значения никак не увязаны с характером нагружения кран;

вследствие работы вибропогружателя и на оснозо такого подхода нельзя определить напряжения в металлоконструкции стрелы.

Исследованиям динамических нагрузок, возникающих при пуске и выбеге вибровозбудогаля посвящены работы В.Б.Гортинского, М.А.Турина, А.М.Каг.а, В.О.Кононенко, Б.Г.Коренева, Н-Л. Пику лова, Л-В. Стоцкоя, Б.Г.Хвэлова, И.С.Шейнина и др. Физической основой методов вкброзащиты в режимах пуска и выбега является ускорение прохождения колебательной системы через резонанс.

Измерения, проведанные Г-Г-Азбелэу, Б.Б.Рубиным, Б.Г-Васиным, И.П.Улитенко показали, что максимальная амплитуда циклов напряжений в поясах стрелы при пуске и выбеге вибропогружателя в несколько раз больше,чем в устаяовивкемся режиме. Для снижения динамических нагрузок, перга дающихся на кран во время выбега, была разработана система динамического торможения электродвигателя вибропо1ру-жатоля путем подачи постоянного тока в обмотки статора. В зарубежных вибропогружателях.торможение осуществляется противовклячением.

Анализ выполненных ранее работ показал, что в настсятае время нет основанных на определении нагрузок в металлоконструкции ■ крзнз критериев виброзащпы и методики расчета- систеш вкброизоляцки для устзновивиегося и переходных режимов работы вибропогружателей-

Для решения проблемы виброизоляции вибропогружателей работающих со стреловыми самоходными кранами необходимо проведение комплексного исследования системы •• вибропогружатель - виброизолятор -кран", включающего: выбор критериев вибрс&эщпг:; разработку рас- ■ четной схемы для определения динамических нагрузок, действующих па металлоконструкцию стрелы крана во время установившегося и переходных режимов работы вибропогружателя; теоретическое и экспериментальное исследование динамики колебательной системы? анализ аварийных ситуаций, возникающие при работе вибропогружателя со стреловым самоходным краном-

Вторая глава содержит теоретическое исследование динамики колебательной системы "зибропогружатель-виброизолятор-крани.

Выбор критериев виЗроизоляции вибропогружателя, работающего со стреловым самоходным краном, основан на том, что согласно современной тенденции проектирования кранов, элементы металлоконструкции должны иметь иметь тот же срок службы, что и кран в целом.

Проведенные Г.Г.Азбелем, Б.Б.Рубиным измерения напряжений на кране, извлекающем металлический шпунт с помощью вибропогружателя, показали, что яаиЗолза нагруженным элементом металлоконструкции является стрела, поэтому, в отличие от зависимости (1), в качества коэффициента виброизоляции вибропогружателя принято отношение амплитуды динамических нагрузок" в поясах стрелы к амплитуда выкуж-дахвдй силы вибропогружателя. Для установившегося режима коэффициент вийроизоляции равен«

Иуя.'Л' 'с »О'» <2>

где» <т&- амплитуда циклов напряжений в стреле» fc- площадь попе речного сечения поясов стрелыi р0- амплитуда вынуждающая силы виб ропогружателя. lio характеру нагружения наиболыцум опасность пред отдаляет усталостное разрушение. Нормативным документом для раСче та стальных конструкция на усталость яаляотся СНи11-11-23-81? Исхо дн из этого, допускаемыj значения коэффициента виброизоляции npv няты в вдо» FC/?Q. ГД91 te- допускаемое значение д»

камичоскога напряжения, определяемое С11иП-П-23-й1 1 Для случг •совмостноа работы вибропогру»:ателев типа В-401 (В-401, В-401/ В-401 Б. B-4Q2) И кранов КС--5363А(Б,В), КС-4361А, МКГ-25.01 кол; чество цоиэа нагружения с частотой основного тона колебания ; срок службы крана»N>1 -10a. Согласно СНиТ1-Н-23-81 ''при N>3,9-11 касбходимо проводить расчет на неограниченны.* продол устатостн прочности. При расчете fjy определяется режим наибслео интенсивно >шрумедом во время выполнения технологических оперэций. На осно

данных экспериментов это момент окончания извлечения сваи перед выключением вибропогружателя при максимальном рабочем вылете стрелы крана.

Наряду с динамическими напряжениями,имеющими период вынуждающей силы, из всего спектра нагрузок выделяются циклы напряжения, период которых равен времени между включениями на подъем грузовой лебедки крана. 3 связи с этим технология ведения работ по вийроизвлечению шпунтовых свая должна быть выбрана таким образом, чтобы изменения усилил извлечения вызывали циклы напряжения с амплитудой, меньиея [<гу]-

Во время переходных режимов пуска и выбега амплитуды циклоз напряжений в металлоконструкции стрелы увеличиваются в несколько раз по сравнению с уровнем установившегося режима. Количество циклов натружения в переходных режимах меньше, чем 3,9-10°, поэтому для них проводится расчет на ограниченную усталостную прочность. В качестве коэффициета пиброизоляции в переходных режимах принято его текущее значение, определяемое для любого момента времени!

гс/р0, где: - текущее значение огийающэг функции

амплитудных значений циклоз напряжений в-стреле. Для количественной оценки процесса натружения с точки зрения обеспечения запаса ограниченной усталостной прочности введено значений эквивалентного коэффициента виброизоляции во время переходных режимов:

и = <т -г ур. > (3)

" экв экв г. О

Для определения реальный процесс язгруьзнля заменен схематизированным с использованием метода размахов. Ябйствуювдио нестационарные напряжения известными методами приводятся к стационарным при условии равенства накопления усталостных псЕрездопкя. Допускаемое значение-. СрЭ1;вз= •с<гэкв:1''|Гс'ро' г<:10 '■""экв3 регламентировано СКиГГ 11-23-81*.' Расчет "рЭКЕ и Срэкв: проводится для одинакового количества циклов натружения. ■

Рис.1. Расчетная схема для определения коэффициента виЗро изоляции в установившемся режиме работы вибропогружателя; а- схема для определения амплитуд колебаний элементов системь "вибропогружатель- виброизолягор- кран"; б- схема для определение прогибов стрелы при работе вибропогружателя.

Расчетная схема для определения коэффициента виброизоляции в установившемся режиме работы вибропогружателя, представлена на рис.1. В схеме приняты допущения« вынуждающая сила считается изменяющейся по гармоническому закону, так как влияние неравномерности вращения дебалаясньи валов вибровозбудителя на характер изменения динамических нагрузок в металлоконструкции стролы незначительно; дйя установившегося процесса колебаний не учитывается влияние затухания; для расчета перемещений элементов колебательной системы стрела крана обозначена в виде абсолютно жесткого тела, так как перемещения стрелы при колебаниях больше чем на порядок превышают ее деформации; жесткость канатов грузового и стрелового полиспаста принята постоянной для малых перемещений при колебаниях; угол нак-л:мэ стрелы' к горизонтали и угол наклона канатов к оси стрелы при

колебаниях считаются постоянными, так как влияние изменения этих углов на динамические нагрузки в металлоконструкции стрелы пренебрежимо мало. Принятые допущения основаны на результатах проведенных автором измерений и анализе ранее выполненных работ. Уравнения движения колебательной системы (-рис -1а) с учетом допущений имеют

ВИД: '.

К 2

m -х — — с -(х —х ) + —-oí -sin ü't ;

в в в в к g

Й

m -х = -с -n (х -Э-L-i) + с -(х ~х ) ; (4)

к к к к в в к '

J в = - с •©•L2-ein2p + с -n2-Lz-(x - в-L-z) . с ^ к к

В уравнениях использованые>слздующке обозначения:'к - статический момент массы дебаланса; t - время ; mB»m,, - соответственно массы вибровозбудителя со шпунтовой сваей и крюковой подвески с колеблющейся вместе вместе с ней частью вибропогружателя; J- Момент инерции стрелы относительно оси ее поворота! хв>хк- перемещения вибро-воабудителя и крюка от положения' равновесия, условно показанных совпадающими с положением равновесия оголовка стрелы; e-угол поворота стрелы от положения равновесия при колебаниях; -соответственно жесткость пружин амортизатора, грузового и стрелового полиспастов; g - ускорение силы тяжести; l - /умна стрелы; «угол наклона стрелы к горизонтали; Р- угол наклона канатов стреловой оттяжки к оси стрелы, у - угол наклона ветви -грузового каната, расположенной над стрелой,-к оси стрелы, п - кратность грузового полиспаста; г =casoi-<siri у)/п.

Расчет частоты первой формы собственных продольных - колебания стрелы показал, что она в несколько, раз больше частоты вынуждающей силы, 'а поперечных - меньше,поэтому в продольном направлении стрела принимается в виде абсолютно жесткого тела, а в поперечном - гибкого. Поперечные динамические прогибы стрелы обусловлены действием распределенной вдоль оси инерционной нагрузки вследствие угловых колебаний стрелы, вокруг опоры. Расчетная схема для опреде-

ления DTije прогибов приведена на рис. 16. Дифференциальное уравнение поперечных колебаний стрелы имеет вид-.

т <ñy m^ 2

E-J • —J- + —— • —= -J— -0-X-GJ -sin <o-t , l5)

*' ■'

где: e-j^- изгибная тсткосггь стрелы; у - поперечный прогиб стрелы на расстоянии х; ■ я> - масса стрелы; в - амплитуда угловых колебания стрелы. ....'•-.■ '

Решение системы линейных дифференциальных уравнения движения (4) и уравнения (5) позволило получить аналитические-выражения для расчета коиффициента виброизоляции, резонансных частот колебательной системы и определить зависимость коэффициента виброизоляции от основных параметров вибропогружателя.

Коэффициент виброизоляции вибропогружателя для установившегося режима работы определен путем наложения динамических воздействия в продольном и поперечном к оси стрелы направлениях:

F

И =

! •• i ' . ' ' 1 í 1 Г, >«.t -v«nr. 5M'l2 "•>•.■.»:> .«-••- o» -.»•«. .<■!'-——-le -e-L-sinp-casp+(n sina+n'cosc) • (Й -©-L-z)l+

К -ьГ t с L C K J

E'Jx 2-77-е-ц2 ' SP (-i)-!' " J

~W l- ' О "г •'a'" .'sln ~

к .> -; « -p,

• 7r • X 1

~ J

ib

где: , • . ;

• V ( в2 ' • ? » А0*К-' ( 9 • < Оа- «6*0г • • 4>г-К>0)) 5

гг*с» к*-п ». га"с«чп. *Ч » . . .... . • "

- -- -т /с' ' + Л-с^; Ь -с .

1 к 1 ¿2 ,1 2 .. .3 % 1 В .в.- В О X 2 3 1 в

■ лв , лк - амплитуды колебаний масс т'в и тк; мх - момент

сопротивления изгибу поперечного сечения стрелы.

Собственная частота .¡-ой формы поперечных колебаний стрел!

2 1' /2

находется кз'выражения». р =<4;я/и (Е-^!./«^) . Значения р спро;;аля;агся без учета осевой сжюлаюзей силы в стреле, так ка] г.ссреткость вследствие этого допущения не превышает 2+4% . Пр:

растете отбрасываются члены ряда, для которых pJ превышает и более чем на порядок. Так, например, для крана КС-5363Ё р7 =230Гц, поэтому учитываются члены ряда до седьмого включительно. Резонансные частоты колебания элементов системы "вибропогружатель виброизолятор - кран" определяются путем нахождения действительных положительных корней уравнения: 03-и°-К>2 •ы4+01 -ог+00=0.

Данные расчетов зависимости ру от безразмерной жесткости амортизатора х^ = св/тБ-о2 в имеющем практическое значениэ диапазоне 0<х^<0,1 показали, что при увеличении х^ пропорционально возрастает Анализ зависимости от соотношения*масс подрессоренной пригрузки и вибровозбудителя тк/те показал, что 'увеличение массы пригрузки призодит к снижению ру при значениях больше

критического, соответствующего резонансу. Поэтому для машин, осуществляющих только виброизвлечение' свая, целесообразно задавать минимально возможное по конструктивным соображениям значение этого отношения в диапазоне 0<т],/тБ<0,-2, а для машин, осуществляющих как извлечение, так и погружение свай необходимо принимать пк/тв>1-

Анализ аварийной ситуации, вызванной превышением максимального рабочего усилия амортизатора (т.е. объединением масс тй й тг и выключением из работы пружины 'амортизатора с&) показал, что в этом случае знзчения возрастают в 1015 раз. ..

Для исследования динамики колабзтельной системы в режимах пуска и выбега использована расчётная схема (рис.2), учитывающая характеристики привода вибропогружателя. В качестве зависимости, характеризующей привод дебалансного. вала при пуске использована статическая механическая характеристика электродвигателя. Для выбега в качестве характеристики торможения рассмотрен случая постоянного тормозного момента, действующего до полной остановки дебалансного вала. Уравнения движения'элементов системы "вибропогружатель - виброизолятор - кран" имеют вид: .

9 ■ т^

Рис.2. Расчетная.схема для определения коэффициента виброизоляции переходных режимах работы вибропогружателя.»

V* = 1-д - К'ВШ'р + |-хв-в1п р - ;

тк ><'1{ = -ск гг(хк-а и г) - ик • п2<хк~ё I- г)

+ с • ( х *х ) + и • (х — х ) 3 в е к в э к '

3-ё - (с в *■ и •©)• 1_г«1п2р + со.

(7)

[ск (хк - е-Цг) + - ¿1. г>] пг-|_ г

где: р - угол поворота дэбаланса; л0 - мбнент инерции вращающи*.л частей, приведенный к дэоалансаому валу вибропогружателя?'коэффициент трения в опорах валов; о - диаметр окружности по которо! осуществляется трение; к - статический момент массы дебаланса;

зтстзекко коэффициенты вязкого трения в амортиза-

Г'Г* ПТРЙ'!

К -w

. 2 , . . cos у , + n • (sin a + -— )

торе, грузовом и стреловом канатах! l - крутящий момент диктателя, приведенный к дебалансному валу вибропогружателя. .

Система уравнений (7) решалась на ЭВМ методом Рунге-Кутта. Для пуска начальными условиями (НУ) являются условия покоя системы, конечные условия (КУ) определятся критерием стабилизации амплитуды колебаний вибровозбудителя. При выбеге НУ являются КУ процесса пуска. КУ выбега определяются прекращением колебаний виб-ровозбудитеяя и остановкой дебалансного вала (НУ пуска).

На каждом шаге интегрирования системы уравнений (7) определялось текущее значение коэффициента виброизоляции«

9 Í • u(t) = u(t-h) + -5 --((с -в + u -ej-L-sin р-соа р >

"л I с с &

[с' (х -e-Lz) + и * (х —ё • L • z) 1 к к к к J

J+1 (8)

E'V'Fe г- (-1) j h Г»

L-— T(t) +

J -V-X }

t-h) -cos Pj -hi -sin —j-— I , •

где: h - шаг интегрирования.

При расчете p(t) фиксировались экстремумы этой функции, с помощью которых находились амплитудные значения коэффициента виброизоляции> = ipn^ixL-pmUa|/2 , где« ¿ - порядковый номер экстремума функции p(t>.

Анализ зависимости коэффициента виброизоляции р от параметров привода вибропогружателя показал, что максимальные,значения р во время переходных режимов .соответствуют частоте первой формы поперечных колебаний стрелы. Недостаточная мощность привода вызывает при пуске увеличение максимальных значений р и времени, в точении которого ¡Ú стабилизируется на уровне, соотйетстЬующем устанозизве-муся режиму. .При выбеге, максимальные значения ¡j и время до полного прекращения колебаний уменьшаются с увеличением тормозного момента

в it-

к уменьшением JQ.

В третьей главе изложена' методика проведения и результаты экспериментальных исследования,выполненных с целью проверки основных теоретических положений главы 2 и определения путей повышения эффективности системы виброизоляции вибропогружателя-

В лабораторных условиях на модели двухкаскадаого амортизатора, промежуточная■масса которого имитировала подрессоренную приг-рукку вибропогружателя, в установившемся режиме работы исследовалось влияние параметров вибровозбудотеля на передачу динамических нагрузок на грузозахватное устройство и определялись пути повыше-ьия эффективности системы виброизоляции.

■ Анализ результатов измерений показал, что увеличение статического момента массы дэбалансов приводит к пропорциональному увеличению амплитуды динамических нагрузок, что соответствует зависимости (6).- Увеличение безразмерной жесткости амортизатора в диапазоне 0<х^<0,1 приводило-к прямо-пропорциональному увеличению амплитуды динамических нагрузок. Исследования влияния подрессоренной пригрузки показали» что в диапазоне о<тк/тв<1 имел место резонанс.

В лабораторных1 экспериментальных исследованиях установлено, что перспективным путем повышения эффективности виброзадегы . является использование вибровозбудителя,- обладающего возможностью изменения на ходу■статического момента массы дэбалансов, оборудованного двухкаскадным амортизатором с динамическим гасителем колебаний- В этом случае амплитуда динамических нагрузок в установившемся режиме работы вдвое меньше чем при использовании' однокаскадногс амортизатора. Максимальные динамические нагрузки в переходных режимах пуска (увеличение статического момента массы дебалансов от куля до рабочего значения после набора. дебалансным взлом • номинального числа оборотов) и выбега (остановка дебалансного вала < уменьшением до нуля статического момента) не превышали 60+7055 о:

гд^Г/гка]

Ж" V 05 Ю 1,5 2,0

Рис.3. Амшитудао - частотная' (а )и количественная (б\ характерно-.

тики процесса кагружения;, 1-й - соответственно: экспериментальная и теоретическая кривые, для. комплекта оборудования: В-402 и КС-5253В;

2',2 - то же для В-401 и КС-4361А1

уровня установившегося режима.

В натурных экспериментальных , исследованиях определялись реальные значения динамических нагрузок в металлоконструкциях

стрел кранов КС-5363В и'КС-4361А, работающих с вибропогружателями' -'■-м'' :! '.¡Н. > п^ОЬ-А--.--;-.^ ;>-> г-"-'.V:» !-■-■,>\\1 -. •> .'- : В-402 и В-401. Сопоставление результатов измерения и расчетов выполнялось по амплитудно-частотной (АЧХ) й количественной (КХ) характеристикам процесса нагружения. АЧХ была получена 'фи выбеге свободно подвешенного вю'ропо1ружателя со сваей.

Анализ данных, приведенных на зксшриментальньпс и расчетных графиках рис-З.а показал, что наибольшие значения хозффицизнта -виброизоляции соответствуют частоте 'первой формы собственных поперечных колебаний стрелы. Экспериментальные и расчетные (определенные с помощью выражения 8) значения коэффициента виброизоляции, соответствующие рабочей частоте вибропозружаталя, соответственно равны 0.039 и 0.045..Расчет по формуле (6) установившегося режима отражает взрнуа качественкув характеристику процесса нзгру>;:ония.

расположение и ширину резонансных частотных зон, но вследствии того, что в схеме рис.1, не учитывается трение, результаты оказываются заниженными на 20+302 по сравнению с экспериментальными данными.

Количественная характеристика процесса нагружения была полу-чоиа путем сортировки по -убыванию значений во время переходных процессов пуска и выбега. Результаты обработки данных измерений и расчетов приведены на рис З.б. Анализ величины и количества циклов нагружения во время переходных процессов- показал, что при работе В-402 с КС-5363В максимальные нагрузки в 1,8 раза ниже значения С/^э-О.бб. Для комплекта оборудования В-401 и КС-4361А максимальные нагрузки превышали :^уз=0,5б. Анализ значений рзкв по данным измерений и расчетов (соответственно 0,73 - и 0,63 для N=3- ю3) показывает, что расхождение составляет 16% . Согласно данным измерения, запас ограниченной' усталостной - прочности .составляет С/1эк2,75. Оценка коэффициента корреляции для расчетных и экспериментальных данных.ДЧХ в случае 1-го комплекта оборудования составляет 0,71, для 2-го - 0,92- По КХ эти оцэнки соответственно составляют 0,97 и 0,98. .

Измерения напряжений в металлоконструкции стрелы, выполненные при аварийном выбеге вибропогружателя после обрыва шпунтовой сваи показали, что амплитуда циклов динамических нагрузок и их количество болоо чем в 3 раза превышают подобные нагрузки при обычном выбеге, когда шпунтовая свая после извлечения находится в замковом зацеплении с соседней. .".'

В лабораторных и натурных экспериментальных исследованиях подтверждено полно© качественное и хорошее количественное соответствие с результатами теоретических исследований, что позволило ис-пользовзть данные расчетов и измерения при разработке методики • расчета системы виброизоляции.вибропогружателей и оценке безопас-

ности работы вибропогружателей типа В-401 с кранами КС-5363В, КС-4361А. МКГ-25.01.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета системы виброизоляции вибропогружателей и устройств для предотвращения аварийных ситуаций.

Расчет системы виброизоляции вибропогружателей включает определение допускаемых значений коэффициента виброизоляции установившегося переходных СрэквЭ режимов работы, после чего определяется предельно допускаемое значение жесткости амортизатора (Сср])( соответствующее Сру1- Для обеспечения наиболее комфортабельных условий труда машиниста кранз (с точки зрения уровня вибрации на рабочем место), выбирается минимально возможное по конструктивным соображениям значение св при условии св<[свз. Для выбранного значения св производится расчет в диапазоне изменения рабочих параметров! длины шпунтовых свай, угла наклона стрелы! для вибропогружателей с регулируемой во время работы частотой колебаний диапазон регулирования ограничивается по условию НУ<СНУ3» в случае использования амортизаторов с нелинейной характеристикой жесткости пружин, проверка выполняется во всем диапазоне изменения жесткости- Поело этого производится расчет ? для переходных режимов пуска и выбега. В тем случае, если максимальные значения^р больна СруЭ, определяется рэкв, которое сравнивается с . Согласно данным

измерений, максимальные значения р при.выбеге в 1,5+2 раза больше, чей при пуске, поэтому в случае нЭ1(в>ЕрЭ1<в1 снижение динамических нагрузок необходимо в первую очередь доживаться для выбега за счет увеличения эффективности торможения (максимальный тормозной момент должен действовать в тот период, когда скорость вращения дебаланс-льк ва-'ов соответствует частоте первой формы собственных поперечных колебаний стрелы).

Методика расчета системы виброизоляции вибропогружателей может

бить использована как при проектировании вибропогружателей и системы виброизоляции для них, так и для оценки безопасности эксплуатации готового оборудования.

При разработке системы виброизоляции проводятся измерения уровня вибрации и шума на рабочем место машиниста крана в соответ- ' ствии с ГОСТ 12.1.012-78 и ГОСТ 12.1.003-83. При необходимости используются известные устройства локальной виброизоляции для сидения машиниста и рычагов управления крана, а также меры защиты от шума.

Для снижения динамических нагрузок в металлоконструкции стрелы крана технология.работ по извлечению шпунтовых свай должна предусматривать поддержание усилия извлечения постоянным; при окончании извлечения сваи вибропогружатель должен выключаться в тот момент, когда свая может быть извлечена статическим усилием крана.

Для предупреждения аварийных ситуации необходимо использовать»

- ограничитель постоянной грузоподъемности, предупреждающий полное сжатие амортизирующих пружин вибропогружателя»

- механический страхующий захват, предупреждающий от выпадения шпунтовой сваи из зева наголовника»

-устройство, предупреждающее срыв вибропогружателя со шпунтовой сваи. .

Исследования, выполненные при участии автора с использованием методики расчета системы виброизаляции, позволили установить возможность безопасной эксплуатации виброшгружзтелев типа В-401 с кранами КС-5363В, КС-4361А, МКГ-25.01. По результатам исследований, согласно ГОСТ 22827-85,были составлены •инструкции пс эксплуатации указанных кранов с вибропогружателями типз В-40!, согласованные с заводами-изготовителями кранов. Экономически эффект был получен за счет использования кранов без копровой стойки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследования, а также анализа опубликованных работ можно сделать следующие выводы:

1) Широкое применение вибропогружателей со стреловыми самоходными кранами требует обоспечекия безопасности их совместного использования-

2) За срок службы крана количество циклов нагружения с частотой основного тона вибропогружателя в сотни раз превышает базовое число, соответствующее неограниченному пределу усталостной прочности.

3) Наиболее нагруженным элементом металлоконструкции крана является стрела, для которой должно обеопечиваться условие усталостной прочности во всем диапазоне изменения эксплуатационных параметров оборудования. Для безопасной работы крана в течении всего срока службы средства виОроизоляции в установившемся режиме работа вибропогружателя (амортизатор, домпфор, гаситель колебания или их сочетание) должны обеспечивать соблюдение неограниченного предела усталостной прочности. Критерием эффективности вкброззцэты в этом случае является коэффициент виброизоляции, представляющий собой откоиениэ амплитуды динамического усилия в наиболее натруженном сечении стрелы крана к амплитуде пьтуждагодай силы вибропогружателя. В пореходных режимах пуска и выбога вибропогружателя число циклов нагружения стрелы меньше базового, поэтому устройства виб-роизоля!5!И в этих режимах (например, средства обеспечения ускоренного прохопярния через розонанс} должны обеспечить соблюден:© ограниченного продола усталостной прочности материала стрелы.

3) й теоротической части диссертации на основании использования расчетной схомы, учитыпаюсэй характеристику привода и величину под-гйссоронной пригрузки вибропогружателя, а также параметры стре-ли««* сястеж кр.тп, впервые район ряд зздзч динамического натру-

жения стрелы. В результате исследований получены уравнения для определения резонансных частот колебательной системы "вибропогружатель - виброизолятор - кран", а также функциональные зависимости коэффициента виброизоляции от основных параметров вибропогружателя.

4) В лабораторных и натурных экспериментальных исследованиях подтверждено полное качественное и хорошее количественное соответствие с результатами теоретических исследований.

5) Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при увеличении статического момента массы дебалансов, а также безразмерной жесткости аморггизатора в имеющем практическое значение диапазоне 0<х^<0,1 коэффициент виброизоляции увеличивается по зависимости, близкой к линейной.

6) При изменении отношения масс подрессоренной пригрузки и вибро-возбудитоля т^/т^ в диапазоне 0< тк/™в <1 имеет место, резонанс.

Для предотвращения резонансных явлений необходимо у вибрационных

»

машин, осуществляющих только извлечение свай, назначать минимально возможный по конструктивным соображениям параметр ®к/™в в диапазоне 0< тк/«пв <0,2 , а для машин, осуществляющих как извлечение, так и погружение свай необходимо принимать *к/»а >1 -

7) Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что увеличение вылета крана приводит к увеличению амплитуды динамических нагрузок в металлоконструкции стрелы.

8) .Амплитуда динамических нагрузок в металлоконструкции . стрелы крана зависит от соотношения частот собственных и выну,еденных колебаний. Максимальные динамические нагрузки во врзмя переходных режимов возникают на частоте, соответствующей первой форме поперечных колебание стрелы * "

9) Ширина резонансных частотных зон определяется наложением форм колебаний элементов системы "вибропогружатель - виброизолятор .-

- С. I -

кран" и форм поперечных колебания стрел,-

10) Величина и количество циклов динамических нагрузок в металлоконструкции стрелы крана во время переходных режимов работы вибропогружателя зависят от характеристик привода и системы торможения, которые должны обеспечивать максимальное ускорение дебалансных валов при скоростях вращения, соответствующих частоте первой формы поперечных колебаний стрелы.

11) При пуске вибропогружателя Недостаточная мощность приводного двигателя способствует возрастанию динамических нагрузок в стреле и продолжительности периода стабилизации режима нагружения.

12) При выбеге увеличение тормозного момента и снижение момента инерции привода позволяют уменьшить динамические нагрузки в стреле и сократить время до полного прекращения колебаний системы.

13) Анализ аварийных ситуаций, возникающих при работа вибропогружателя со стреловым самоходным краном на погружении и извлечении металлического шпунта показал, что исключение из работы амортизирующих пружин вибропогружателя приводит к более чем 10-кратному увеличению амплитуд динамических нагрузок в стреле.

14) При аварийном выбеге вибропогружателя после обрыва шпунтовой сваи амплитуда циклов динамических нагрузок в стрела крана и их количество более чем в 3 раза превышают подобные нагрузки при обычном выбеге, когда шпунтовая свая после извлечения находится в замковом зацеплении с соседней.

15) Экспериментальными исследованиями установлено, что перспективным путем повышения эффективности виброзащиты янляетсй использование вибровозбудогеля, обладающего возможностью изменения на ходу статического момента массы двбаланспз и снабженного даухкаскадньм амортизатором с динамическим гасителем колебаний. В этом случае амплитуда динам:г?еских нагрузок в установившемся режиме работы вдвое мояьт чем при использован®! однокаскадаопз амортизатора.

Динамические нагрузки в переходных режимах пуска и выбега не превышают 60702 от уровня установившегося режима. 16) На основе проведенных исследований разработана методика расчета системы виброизоляции вибропогружателей, работающих со стреловыми самоходными кранами, которая может быть использована при проектировании вибропогружателей» а также для оценки безопасности использования готового оборудования и определения диапазона изменения эксплуатационных параметров машин. Проведенные с участием автора работы с использованием данной методики позволили установить возможность безопасной эксплуатации кранов КС-5363В, КС-4361А, МКГ-25;01 с вибропогружателями типа В-401. В результате был получен экономический эффект за счет использования кранов без копровой стойки.

Основное содержание и результаты исследований опубликованы в следующих работах«

1. Михайлов Ю.А. Динамические гасители колебаний в системах

I

виброизоляции // Экспресс-информация, Серия« Специальные строительные работы / М., 1987, с. 7-14.

2. Азбель Г.Г., Рубин Б.Б., Михайлов Ю.А. Васин Б.Г., Улитешш И.П. Меры безопасности при использовании грузоподъемных кранов для виброизвлеченин шпунта,// Монтажные и специальные ' работы в строительстве, М., 1988, .N6.

3. Михайлов Ю.А. Экспериментальные исследования амортизатора с динамическим гасителем колебаний // Эк росс-информация, Серия » Специальные строительные работы / К., 1990, Вып.З, с. 15-17.

4. Михайлов Ю.А. Обзор средств защиты кранов от вибрации // Эксщюсс-информация, Серия« Специальные строительные работа / М., 1990, Вып.4, с. 16-19. .

5. A.c. 1557261 (СССР) Способ управления остановкой вибропогружателя // Опубл. в Б.И., 1990.- Л 14. /Азбель Г.Г., (¿ихайлон

Ю.А., Трофимов В.Е.

6. Лзбель Г.Г., Михайлов Ю-Д., Улитенко И-П..Савельев А.И. Применение кранов с вибропогружателями для извлечения металлического шпунта.// Монтажные и специальные работы а строительстве. Москва, 1990, J411, с. 17-18.

7. A.c. 1613540 (СССР). Способ извлечения строительных элементов из грунта // Опубл. в Б.И., 1990.- Л 46./ Азбель Г.Г., Михайлов ¡O.A., Трофимов В.Е.. Васин Б.Г., Улитенко И.П.

8. Лзбель Г.Г., Михайлов O.A., Трофимов В.Е. Исследование двухкаскадного амортизатора с динамическим гасителем колебаний // Ресурсосберегающие технология и оборудование для производства специальных строительных работ/ Сб.научных трудов ВНИЙГС, Л.,1990, с. 6-16.

9. A.c. 1676670 (СССР). Вибровозбудегэль // Опубл. в В.И., 1991.- Л 34./ Азбель Г-Г., Лукин В.М., Михайлов Ю.А., Трофимов

B.Е., Ханович ИЛ1.

10. Михайлов Ю.А» Критерий вийроизоляции стреловых самоходных кранов» работающих с вибропогружателями // Технология производства специальных строительных работ » Об. научн. тр./ВНШГС

C.-Ш.И992.