автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование крана-трубоукладчика и устройства управления комплектом машин, обеспечивающих грузовую устойчивость трубоукладочной колонны

На правах рукописи

ШАБАЛИН АНДРЕИ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КРАНА-ТРУБОУКЛАДЧИКА И УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКТОМ МАШИН, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ГРУЗОВУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ТРУБОУКЛАДОЧНОЙ КОЛОННЫ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2014

005554510

005554510

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

КОРЫТОВ Михаил Сергеевич

Официальные оппоненты: ЗПДГЕНИЗОВ Виктор Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государствешшй технический университет», заведующий кафедрой «Строительные, дорожные машины и гидравлические системы» (г. Иркутск);

КОНДРАТЕНКО Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), ученый секретарь (г. Новосибирск).

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное

учрежде!ше высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» (г. Новосибирск).

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная ав-томобилыю-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124. Тел. (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте академии по адресу http://wvvw.sibadi.org/science/studies/dissertations/10715/.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5. Тел. (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

Автореферат разослан «29» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертациошюго совета, доктор технических наук

Кузнецова Виктория Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В современной России из-за нестабильных политических отношений с соседними государствами реализуется крупная программа проектирования и строительства транснациональных магистральных трубопроводных систем. Основной машиной при строительстве магистральных трубопроводов является кран-трубоукладчик (КТ). Эффективность рабочего процесса зрубоукладочной колонны зависит от грузовой устойчивости КТ, входящих в ее состав. Причинами потери КТ грузовой устойчивости являются: 1) малоопытные машинисты КТ, которые, реагируя на частичную потерю грузовой устойчивости, чрезмерно разгружают свою машину, перегружая тем самым соседние КТ; 2) неровности микрорельефа, по которому двигаются КТ.

Существующие средства автоматизации не обеспечивают в достаточной мере безопасность и эффективность рабочего процесса Поэтому актуальной задачей является модернизация существующих и разработка новых средств автоматического контроля и управления процессом укладки трубопровода

Из всего сказанного можно сделать вывод о необходимости создания устройства управления трубоукладочной колошюй, которое бы решило следующие проблемы: 1) предотвращение аварийных ситуаций в рабочем процессе трубоукладочной колонны; 2) облегчение труда машинистов КТ; 3) уменьшение автоколебаний трубопровода; 4) обеспечение равной загруженности всех КТ, входящих в трубоукладочпую колонну.

Степепь разработанности. Проблемой оптимизации технологических параметров подъема линейной части трубопровода заниматись ученые: И.П. Петров, А.Г. Камерпггейн, А.И. Гальперин, В.А. Славов, В.Д. Таран, Б.А. Аникин, Н.Я. Кершенбаум, НЕ. Перов, Р.Д. Габелай, Н.Е. Ра-щепкин и др. Вопросам исследования динамики взаимодействия трубопровода с КТ посвящены работы: А.И. Гальперина, И В. Степанова, Н.Л. Шибанова, А.П. Куляшова, И.А. Тютьпева и др. Совершенствованию конструктивных схем и систем управления навесным оборудованием КТ посвящены работы: Ю.А. Дудоладова, А.Л. Липовича, Ц.С. Хайтовича, Е.И. Перчиковского и др. Совершенствованию систем управления трубоукладочной (изоляционно-укладочной) колопны посвящены труды: Ю.Б. Тихонова, В.Ф. Рааца, Е В. Загороднюка и др.

Объект исследований—рабочий процесс трубоукладочной колоты.

Предмет исследований — закономерности, влияющие на грузовой момент крапа-трубоукладчика, работающего в трубоукладочной колонне.

Целью диссертационной работы является повышение грузовой устойчивости трубоукладочной колонны, предотвращение аварийной ситуации путем совершенствования крана-трубоукладчика и устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны.

Задачи исследований:

1. Провести анализ существующих методов управления комплектом машин трубоукладочной колопны. Разработать устройство управлигия комплектом машин трубоукладочной колопны, обеспечивающее ее грузовую устойчивость.

2. Разработать математическую модель сложной динамической системы трубоукладочной колопны, содержащую подсистемы: кранов-трубоукладчиков, трубопровода микрорельефа, устройства управления.

3. Выявить основные параметры трубоукладочной колонны, оспащенной устройством управления, влияющие на грузовую устойчивость трубоукладочной колопны, и установить связи между грузовым моментом крана-трубоукладчика и основными параметрами устройства управления.

4. Разработать методику оптимизации основных параметров устройства управления, повышающего Грузовую УСТОЙЧИВОСТЬ Трубоукладочной К0Л01П1Ы.

Научили повпзпа диссертационной работы:

1. Впервые выведены зависимости изменения знамений показателей поперечной устойчивости трубоукладочной колонны от параметров устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны.

2. Разработана математическая модель рабочего процесса сложной динамической системы трубоукладочной колонны, состоящая из подсистем: кранов-трубоукладчиков, трубопровода, микрорельефа, устройства управления.

3. Получены уравнения регрессии зависимостей грузового момента трубоукладочной колонны от параметров устройства управления комплектом машин трубоукладочпой колонны.

4. Предложена методика оптимизации основных параметров устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны, повышающая грузовую устойчивость трубоукладочпой колонны.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы:

1. Разработано устройство управления трубоукладочной колонной, обеспечивающее оптимальную, равномерную загруженность каждого крана-трубоукладчика и одновременно предотвращающее ситуации перегрузки и потери устойчивости трубоукладочной колонны.

2. Разработана и внедрена методика оптимизации основных параметров устройства управления трубоукладочной колонной, реализованная в программном продукте МАТЪАВ.

3. Разработан алгоритм функционирования устройства управления трубоукладочной колонной (свидетельство РФ № 18687).

4. Разработаны перспективные конструкции крана-трубоукладчика, одна из которых внедрена в строительной компании, позволяющие компенсировать динамические воздействия на кран-трубоукладчик при работе в колонне (патенты РФ № 131371, № 140144, № 140492, № 146007).

5. Выявлены функциональные зависимости: грузового момента от различных расстояний между кранами-трубоукладчиками для соответствующих вылетов стрелы, частоты колебаний крюковой обоймы от параметров жесткости и вязкости устройства стабилизации грузового момента, времени переходного процесса от ширины зоны нечувствительности и подачи гидронасоса.

Методология и методы исследовании основываются на системном анализе и синтезе полученных результатов исследования; теоретические исследования базируются на математическом анализе, методах имитационного моделирования; экспериментальные исследования основаны на использовании теории планирования эксперимента и методах статистической обработки данных.

Положения, выносимые па защиту: 1. Математическая модель сложной динамической системы трубоукладочной колонны. 2. Алгоритм устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны. 3. Конструкции устройства стабилизации грузового момента. 4. Методика оптимизации основных параметров устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны.

Степень достоверности исследований обеспечена: 1) корректностью допущений; 2) применением математического анализа в качестве основного инструмента исследования, современных методов обработки результатов исследований; 3) достаточным объемом экспериментальных работ, выполненных в полевых условиях; 4) подтверждением адекватности теоретических исследований, получеппых в результате математического моделирования.

Апробация результатов работы. Региональная научно-техническая конференция молодых ученых, студентов, аспирантов (с международным участием) «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве» (филиал НГАВТ, г. Омск, 2010 г.). 6-я, 7-я Всероссийские научно-практические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ, г. Омск, 2011, 2012 гг.). 12-я, 13-я, 14-я Международные научно-инновационные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с элеме1ггами научной школы «Теоретические знания - в практические дела» (РосЗИТЛП, г. Омск, 2011, 2012, 2013 гг.). 66-я Международная научпо-пракгическая конференция «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования — основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России» (СибАДИ, г. Омск, 2012 г.). 67-я Научно-практическая конференция «Теория, методы проектирования машин и процессов в строительстве» (СибАДИ, г.Омск, 2013 г.). Международная научно-практическая конференция «Инно-

вационное лидерство строительной и транспортной отрасли глазами молодых ученых» (СибАДИ, г.Омск, 2014 г.). 2-я Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Состояние и перспективы развития социально-культурного и технического сервиса» (Бийский технологический институт (филиал) «АлтГТУ им. И.И. Ползунова» г.Бийск, 2014 г.).

Реализация результатов работы. Результаты исследований прицяты к внедрению в ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения», ОАО «Омскгоргаз» и ООО «Сибирская трубопроводная строительная компания».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в сборниках материалов научных конференций, 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 монография. Получены 4 патента РФ на полезные модели и 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 157 страниц, включая 5 таблиц и 61 рисунок, 12 приложений. Список литературы включает 104 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, излагаются цель и основные задачи исследований, сформулированы научная новизна и практическая ценность.

В первой главе представлены обзор и анализ предшествующих исследований, посвященных проблеме устойчивости ЕСТ, классификация КТ по основным признакам, приведена статистика аварий на строительстве магистральных трубопроводов. Рассмотрены основные методы строительства магистральных трубопроводов с применением трубоукладочной колонны.

Обзор существующих систем управления и приборов безопасности и контроля, а также авторских свидетельств и патентов на полезные модели показал, что все они направлены на увеличение момента устойчивости КТ либо на ограничение его текущего грузового момента. В рабочем процессе трубоукладочной колонны на КТ действуют динамические воздействия различной частоты. Их условно можно разделить на две группы: высокочастотные и низкочастотные. Первые, с точки зрения устойчивости колонны, не оказывают влияния, т.к. КТ — инерционная машина. Однако они приводят к обрывам грузовых канатов и повреждению навесного оборудования КТ. I Ьпкочастот-ные воздействия при совпадении по частоте с колебаниями КГ приводят к опрокидыванию трубоукладочной колонны. Поэтому существует необходимость создания устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны и одновременно применения на ЮГ устройства стабилизации грузового момента (УСГМ). При подобном подходе низкочастотные колебания гасит устройство управления посредством изменения высоты подвеса крюковой обоймы и корректировки расстояния между КТ, а УСГМ служит механическим фильтром и обеспечивает разность частот колебаний КТ и трубопровода, а также защищает КТ от высокочастотных воздействий.

Обзор существующих плоских расчетных схем КТ и их ограниченных возможностей для создания математической модели подсистемы КТ показал необходимость в создании пространственной расчетной схемы, для математического описания которой был выбран метод однородных координат.

Обзор существующих математических моделей трубопровода показал, в связи с их излишней сложностью, необходимость разработки новой математической модели с использованием пространственной расчетной схемы трубопровода. Для удобства расчетов и простоты вычисления был также применен метод однородных координат. Новая математическая модель, в отличие от известных ранее, позволила определять значения всех внешних сил, действующих на каждый КТ колонны, при произвольных заданных значениях расстояний между КТ, что открыло возможность оптимизации указанных значений расстояний между КТ.

Во второй главе представлена общая методика исследований. При изучении сложных динамических систем была применена методология системного анализа, в основе которой лежит поня-

тие системы, состоящей из подсистем. Эти подсистемы обладают конкретными свойствами и связаны между собой взаимосвязями. В связи с этим в данной работе системный подход использовался в качестве общей методологии исследований.

Достижение цели и решение задач, поставленных в работе, проводилось с использованием основных положений системного анализа: структурности системы в виде совокупности связей и их причинности; иерархичности системы (сложная динамическая система разделена на подсистемы, которые, в свою очередь, тоже делятся на подсистемы, до неделимых элементов); целостности системы при ее взаимодействии с внешней средой.

Математическое моделирование трубоукладочной колонны было проведено с использованием современного программного продукта МАНАВ, ЯнэтмНпк с применением пакетов БипМесЬашсз, БппНускаиНсз. Это позволило получить следующие преимущества: вмешательство извне на любой стадии процесса моделирования; возможность моделирования параметров и расчетных случаев эксперимента, которые невозможно воспроизвести в реальных условиях, в частности расчетных случаев потери устойчивости.

Комплексный метод исследований предполагает проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований. Основными задачами последних являются: подтверждение адекватности математических моделей; определение численных значений параметров, входящих в математические модели; подтверждение работоспособности и эффективности технического решения, внедренною в производство.

В данной работе использована методология как пассивного, так и активного эксперимента, в силу того что внешние возмущающие воздействия имеют стохастическую природу, а при подтверждении адекватности моделей целесообразно формировать детерминированные воздействия. В качестве оценки достоверности экспериментальных данных использовалась доверительная вероятность Р„. В данной работе достаточной считалась доверительная вероятность Рх « 0,95.

В третьей главе описывается модель объекта исследования как сложная динамическая система, состоящая из подсистем: КТ, трубопровода, микрорельефа, гидропривода, устройства управления (рисунок 1). Подсистемы соединены одно-и многопараметрическими связями, отражающими прохождение информационных и энергетических потоков.

Приведены пространственные расчетные схемы КТ и трубопровода, описанные методом однородных координат, математическое описание микрорельефа, щдропривода и устройства управления.

Для математического описания КГ бьша разработана его пространственная обобщенная расчетная схема, обладающая элементами научной новизны (рисунок 2). Отечественными и зарубежными фирмами выпускаются десятки моделей кранов-трубоукладчиков. При изучении их статических и динамических характеристик целесообразно проводить исследования на математической

Рисунок 1 — Блок-схема сложной динамической системы рабочего процесса трубоукладочной колонны

модели, отражающей признаки большинства существующих и вновь создаваемых конструкций КТ. Разработка обобщенной расчетной схемы позволила распространить результаты исследований на широкий класс машин, в том числе оснащенных УСГМ.

Статические и динамические свойства любой машины полностью описываются дифференциальными уравнениями движения, позволяющими исследовать природу и физическую сущность параметров системы. Для вывода уравнений КТ, воспринимающего возмущающие и управляющие воздействия, необходимо, прежде всего, задать системы координат, позволяющие однозначно описать перемещения в пространстве.

При исследовании трубоукладочной колонны необходимо оценить влияние трубопровода на каждый КТ. Корректность математического описания трубопровода существенно зависит от правильного выбора системы координат. Учитывая, что трубопровод является цилиндром, его положение целесообразно определить цилиндрическимп координатами х, у, ¡р. Фиксированная ось х с началом отсчета - точкой О — определяет направление отсчета осевой координаты. Координата и угол <р между направлениями начального и текущего лучей, расположенных в плоскости, перпендикулярной осид:, являются полярными координатами трубопровода.

Для составления уравнений динамики трубопровод был представлен динамической моделью, состоящей из системы точечных масс и упруговязких связей между ними (рисунки 3 и 4).

Дтя описания динамики механических подсистем использованы уравнения Лагранжа второго рода для голопомной системы с числом степепей свободы, равным /, которым соответствуют обобщенные координаты Л.....I). Они имели вид

д К

дЯ) >)с1, дЧ,

Л д д']

где 1 — время; (¡г, — обобщенная координата; К—кинетическая энергия; Р — потенциальная энергия; Ф — диссипативная функция; д/ — обобщенная скорость; Я)- — обобщет1ая сила, действующая по обобщенной координате.

В векторно-матричной форме система дифференциальных уравнений имела вид

А-^ + В-д' + Сд = (2)

где Л, В, С — матрицы коэффициентов дифференциальных уравнений (А — матрица инерционных коэффициентов, В — матрица коэффициентов демпфирования, С — матрица коэффициентов жесткости); ц", д' ц — векторы соответственно ускорений, скоростей п обобщенных координат; Т7— вектор внешних сил, действующих по обобщенным координатам.

у ¡+1

Рисунок 3 — Динамическая модель элементарной ячейки трубопровода

Рисунок 4—Динамическая модель трубопровода

Кинетическая энергия К механической системы КТ определялась как сумма кинетических энергий каждого звепа, обладающего инерционными свойствами:

^ = 1 К, ;

к=%т*

7='

(3)

(4)

Потенциальная энергия КТ определялась как сумма потенциальных энергий отдельных звеньев КТ в поле тяготения Ря и потенциальных энергий упругих элементов Ру:

(5)

1 "

Р = Р+Р ; у « *

1=1 2 и~\

(6)

Диссипативная составляющая в уравнении Лагранжа для системы звеньев КТ была представлена функцией Релея:

(7)

Обобщенные внешние силы, стоящие в правой части системы уравнений Лагранжа, определялись по формуле:

м - дЯ

^Е^^Ьь. (8)

1 дд1

После подстановки всех слагаемых в уравнение Лагранжа была получена система дифференциальных уравнений, каждое из которых имеет вид:

м п I

I Ъг[и^Н,и1]д] + ± Ъг[мчВиМ1 ]Ч'] +

/=1 у=1 и=17=1

п С Г г "I * от _ —

(9)

4=17=1 " " ' 1=1 г=1

Аналитически математическая модель подсистемы трубопровода описывается теми же уравнениями (1—9), что и КТ.

Для исследования параметров управления была составлена математическая модель гидропривода КТ. Основные элементы гидроприводов в настоящее время достаточно хорошо изучены и, в зависимости от решаемых задач, математически описшеы с теми или иными допущениями.

Для изучения неуправляемых перемещений КТ, вызванных неровностями микрорельефа, использовались методы статистической динамики с применением стохастических моделей микрорельефа. Подавляющее большинство грунтовых поверхностей, по которым передвигается трубоукладочная колонна, имеют следующие корреляционные функции:

Я(0 = <т4г-е~"*и; (10)

/?(/) = 07 -е"''' С0!,(РГ1), (11)

где «ь Рк — коэффициапы, зависящие от типа профиля; щ — дисперсия функции микропрофиля поверхности.

Для моделирования на ЭВМ использовались рекуррентные уравнения, которые имели вид у„(п)-дх(п)>ах(п~ \)~до<п- 1)+ д2у(п-2);

<2 = окс--

(с1±л/с12-4-сО2)_ а

а = ^_^о_;91=2рсо1Го; (12)

2 с

<72=-р2; с0=р (р£ -\) с<х,уо, С]=1 -/>"; ук=(ц1г,р=е*\ у0=Ркк

Управление КТ с целью обеспечения устойчивости колонии возможно только при наличии непрерывной информации о фактическом положении каждого КТ в заданной системе координат, величинах сил на крюковых обоймах КТ, высот подвеса крюковых обойм КТ, текущих вылетов стрел.

Устройство управления (УУ) единичным КТ использует в качестве первичных следующие информационные параметры: Р— сила на крюке; а — угол наклона КГ в поперечной плоскости; £ — расстояние до идущего позади КТ; и — число оборотов грузовой лебедки КГ; у — угол наклона стрелы КТ. Оно позволяет получил, следующие сигналы управления: — сигнал изменения высоты подвеса крюковой обоймы КТ; 1ущ, — сигнал изменения расстояния между КТ.

Исполнительным механизмом изменения высоты подвеса крюковой обоймы служит элекгрогидрораспределитель, на вход которого может быть подан один из 3 сигналов: +//>, 0, -4р. Для формирования этих сигналов в схеме присутствует пороговый элемент. Пороговый элемент УУ КТ является электронным реле с регулируемой зоной нечувствительности. Пороговый элемент и его математическая модель детально изучены в работах предшественников.

Так как быстродействие электронных схем на порядок выше по сравнению с другими элементами УУ КТ, пороговый элемент с динамической точки зрения можно описать как безынерционное реле.

Математическое описание статической характеристики порогового элемента можно представить в виде системы неравенств

._Г0,5(»,-8§11(е + е1) + /,-8^(е-е2)) при е>0; ^

[0,5(;я •5£п(е-е1) + /;,-5§п(е + £2)) при е<0, где е — входная координата порогового элемента; /—выходная координата порогового элемента; С| — значение входного сигнала, при достижении которого на выходе порогового элемента возникает выходной сигнал; £г - значите входного сигнала, при достижении которого на выходе порогового элемента пропадает выходной сигнал.

В четвертой главе обоснован критерий эффективности устройства управления трубоукла-дочной колонной, приведено описание результатов теоретических исследований трубоукладочной колонны, приведен оптимизационный синтез параметров устройства управления трубоукладочпой колонной.

Основными требованиями, которым должно удовлетворять устройство управления, являются: динамическая устойчивость колонны, предотвращение излома трубопровода и облегчение труда машинистов КТ. Безопасность работ, прежде всего, связана с устойчивостью

колонны, что достигается: равномерной загруженностью КТ за счет изменения высоты крюковой обоймы и расстояния между КТ; изменением частоты колебания трубопровода с целью исключения ситуации совпадения частоты колебания трубопровода и отдельных КТ.

Частотный спектр динамических воздействий трубопровода на КТ достаточно широк, его условно можно разделить на две группы: высокочастотные и низкочастотные воздействия. На поперечную устойчивость КТ оказывают влияние низкочастотные колебания. Особую опасность представляют резонансные частоты, когда собственные частоты колебаний элементов КТ совпадают с частотой воздействий. Поэтому основной задачей УСГМ является предотвращение совпадения по частоте этих колебаний. Использование описапных в главе 3 математической модели КТ и результатов экспериментальных исследований позволяет определить частоту собственных колебаний КТ и трубопровода.

Для решения уравнения колебаний УСГМ необходимо знать массу на крюке отдельного КТ, приведенные коэффициенты жесткости и вязкости УСГМ, а также передаточное отношение полиспаста Уравнение движения крюковой обоймы КТ в случае применения УСГМ будет иметь вцд неоднородного дифференциального уравнения второго порядка

™-у"+Ьу+су = Р0(0, (14)

.1

где т - масса груза; г - кратность полиспаста; Ь — коэффициент вязкости УСГМ; с - коэффициент жесткости УСГМ; Рц — сила, действующая на крюковую обойму; I—время. Передаточная функция данного колебательного звена

*(Р)=Тг г^ (15)

Г, р +тгр+1

гдер-оператор Лапласа, к=\/с, Т, пъЧс, Т2=Ь/с.

Введено понятие коэффициента колебательности

¿=Т2/(2Ъ). . (16)

При подстановке коэффициента колебательности в уравнение (15) получено выражение

}Г(р) = к/{т12р2 + 2^Т1р + 1). (17)

Если £ < 1, то звено колебательное; если £ > I, то колебательное звено вырождается в апериодическое звено 2-го порядка.

При проведении теоретических исследований, в качестве примера, была исследована колонна из пяти КТ марки ТГ-503 номинальной грузоподъемностью 50 т на плече 2,5 м. Производит данную марку КТ Чебоксарский тракторный завод. Был исследован трубопровод диаметром 1 420 мм с толщиной стенки 40 мм. Марка стали Ст 20. Скорость движения колонны была принята равной 1 м/с.

Статистические'параметры микрорельефа принимали значения: <Х1=0,53 с1, а^О, 138

с

/71=0,79 с ';/?2=3,7 с-1. Время моделирования было принято равным 100 с.

Моделировался установленный на КТ марки ТГ-503 типовой гидронасос НШ-100А-50АЗ с номинальным давлением 16 МПа. Его рабочий объем 250 см3, при угловой скорости 157 рад/с, подача 35,6-10"6 м7рад (335 л/мин).

Изменение скорости поднятия и 'опускания крюковой обоймы варьировалось путем изменения подачи гидронасоса грузовой лебедки. Границы варьирования подачи приняты в пределах от 20 до 100 % от номинальной подачи. Подача гидронасоса принимала значения от 1,1-10"3 до 5,6-10"3 м3/с.

Исхода из известного значения номинального момента КТ марки ТГ-503, который составляет 1 250 кН м, была выбрана ширина зоны нечувствительности порогового элемента УУ в пределах от 50 до 250 кН м. Указанное значение соответствует полной загруженности КТ и обеспечивает необходимый запас момента устойчивости КТ.

Время запаздывания современной гидроаппаратуры т,'т складывается из времени запаздывания разгрузочного клапана, динамических запаздываний золотника гидрораспределителя, трубопроводов и гидромоторов. Общее время запаздывания гидропривода

т,,„ для современной аппаратуры находится в пределах 0,1... 0,3 с и при исследованиях принимало данные значения.

Исходя из рассматриваемого диаметра трубопровода, расстояние между КТ варьировалось от 11 до 22 м согласно известным рекомендациям, угол наклона стрелы КТ изменялся при этом в пределах от 0,37 до 0,77 рад, что обуславливается максимальным и минимальным допустимыми вылетами стрелы КТ.

Параметры упруговязкого элемента УСГМ принимались зависимыми от постоянных Т\ (0 до 5) и 1'г (0 до 3), а те, в свою очередь, зависели от грузоподъемности КТ, входящих в колонну, и требуемой частоты работы УСГМ. Для КТ марки ТГ-503 грузоподъемность составляет 14,5 — 102 т. Из экспериментальных исследований было получено, что частота собственных колебаний КТ составляет 0,1 рад/с, а трубопровода 0,6 рад/с, поэтому для предотвращения резонанса необходимо настраивать УСГМ на частоту 0,1 \<а> <0,66 рад/с.

Векторный критерий эффективности устройства управления трубоукладочной колонной будет иметь следующий вид:

С = 1 М9 = /(¿;г,с;2>)-> 0,9М1Ш(; 1

К=[М.т, С]7'; 0,710-5<б<3,5610-5;1; 11 < А <22; 0,37<у<0,7; (|Х)

50<й<250. ] 0,11<£В<0,66;0<Г1<5;0<Г2<3.]

где <„п — время переходного процесса, с; О — подача гидронасоса грузовой лебедки, м3/рад; В — ширина зоны нечувствительности устройства управления, кНм; М¡р — грузовой момент КТ, кНм; М«м< — номинальный момент, кНм; Ь — расстояние между кранами-трубоукладчиками, м; у — угол наклона стрелы крана-трубоукладчика, рад; с — коэффициент жесткости УСГМ КТ, Н/м; Ь — коэффициент вязкости УСГМ КТ, Нс/м; ш — частота колебаний крюковой обоймы К'Г, рад/с.

М, кНм

11 13 15 17 19 21 •« Рисунок 5 — Зависимости значения максимального грузового момента от расстояния £ между КТ для соответствующих вылетов стрезты. / — 5 м (0,77 рад); 2 - 4,47 м (0,67 рад); 3 - 3,8 м (0,57 рад); 4 - 3,28 м (0,47 рад); 5 - 2,5 м (0,37 рад)

5.0 5.8 в- "Ю " Чч

Рисунок 6 — Зависимости времени переходного процесса от подачи гидронасоса <2 для различных значений ширины зоны нечувствительности В

В результате теоретических исследований были получены функциональные зависимости, представленные на рисунках 5 — 7.

На рисунке 5 приведены зависимости значения максимального грузового момента, действующего на КТ, от расстояния между КТ для соответствующих углов наклона стрелы при прохождении колонны по выбранному микрорельефу (рассматривается усредненный грузовой момент второго, третьего и четвертого КТ в колонне из пяти КТ).

Из полученных зависимостей видно, что с увеличением расстояния между соседними КТ увеличивается грузовой момент, но данная зависимость является нелинейной при малых расстояниях между КТ. Это вызвано тем, что при наезде на неровности микрорельефа соседние КТ снимают часть нагрузки с исследуемого КТ.

Каждому из углов наклона стрелы КТ соответствует расстояние между КТ, при котором грузовой момент равен моменту устойчивости КТ. За рабочий момент целесообразно выбирать момент, равный 90 % от момента устойчивости, что обеспечивает полную загрузку КТ и в го же время обеспечивает необходимый запас устойчивости.

При исследовании устройства управления фузовой лебедкой КТ были проанализированы параметры, существенно влияющие на быстродействие и динамику изменения грузового момента КТ (подача гидронасоса — ширина зоны нечувствительное™ — В).

На рисунке 6 представлены графики численных зависимостей времени переходного процесса от параметров В и Анализ зависимостей показал, что параметры устройства управления КТ влияют на быстродействие устройства следующим образом. Уменьшение подачи гидрометра приводит к плавному изменению высоты крюковой обоймы и уменьшению времени переходного процесса. При этом храфик времени переходного процесса имеет параболическую зависимость от ширины зоны нечувствительности.

При иследовании УСГМ определялась функциональная зависимость частоты колебаний крюковой обоймы КТ для различных значений Т\ и Т2, которые, в свою очередь, зависят от коффициентов вязкости Ь и жесткости с УСГМ (рисунок 7). Полученные функциональные зависимости позволили перейти к уравнениям регрессии и провести оптимизацию основных параметров устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны.

Для решения задачи оптимизации была проведена аппроксимация целевых функций Кэх = В),Кэг^Му =ЛЬ, у)ню =АП

Тг) уравнениями регрессии:

Ир =Д£,у)=1121000+804407+275000 ¿+92530у!-53927Л+285100Х2+ +59150у-9375-72/^437907 /.2-3966Х-34140 74+1127073Х+

+13720т2^2+314307'£-117100 ¿4, ^=0,9864. (19)

1т = ЛбД)=-48,53+0,09433 0+8995000В-0,0002085-е2-8201 -5,3611011В2-1,844 10"7-23+15,93'22Л+2,391 108е-В2+ + 1,38 Ю'бг3+1,333 10^ е4-0,02373 05 6-7,347 Ю4^2В2-

-2,907 10и2В3-1,287 Ю20^4, /^=0,8796. (20)

со =АТиТ2)= 3,641 -6,842-Г, - 1,587-Г2 + 4,131-Г,2 + 4,654-ГгГ2--0,1516-7,22-1Д03-Г13-2,582-Г,2-Г2-0,7446-ГгГ2:г+0,1773-7,23 + 0,2251-7'14 + + 0,4016-7Х3'72 + 0,4599Г,2-Г22- 0,01184-7'1-Гг3 - 0,0294-Г24 - 0,02453-Г!5--0,0001616Г14-7,2-0,06917-7'13Г22-0.0060ИТ|2-Г23 + 0,002683 Г1Т24 +

+ 0,001723-Г25, Я2=0,9233. (21)

В пятой главе подтверждена адекватность математической модели КТ и трубопровода (рисунки 8—10). Предложена конструкция КТ с УСГМ. Описан алгоритм работы устройства управления трубоукладочной колонной. Описывается инженерная методика расчета основных параметров устройства управления трубоукладочной колонной

Экспериментальные исследования проводились на строительной площадке ДСК «Стройбе-тон» с применением средств измерения и техники ООО «СТСК» (г. Омск, 2012 г.).

Для проведения экспериментальных исследований трубопровода была использована плеть трубопровода 0500x5,8 длиной 40 м. Один конец трубопровода (точка К1) был жестко закреплен, другой край трубопровода (точка К2) лежал на опоре на расстоянии 40 м, при этом варьировались

Рисунок 7— Функциональная зависимость частоты колебаний крюковой обоймы КТ от постоянных времени 1\ и Т2 устройства стабилизации грузового момента

расстояния между опорами путем добавления дополнительных опор с шагом 2 м. При помощи нивелира снимались значения прогиба трубопровода И при различных расстояниях между точками К1 иК2.

Для исследования упруго-вязких свойств трубопровода плеть длиной 22 м поднималась КТ на высоту 2,05 м, на конце трубопровода закреплялась лазерная указка, направленная на планшет с сеточной разметкой с шагом 1 мм. На расстоянии 2 м на штативе устанавливалась видеокамера, направленная на планшет, которая фиксировала перемещение лазерного луча. Затем на ПЭВМ был проведен покадровый просмотр и получен график перемещений

у, м

у, м

! и с

012345678 9 10

Рисунок 8 — Зависимость прогиби трубопровода (530х 10 мм) от длины трубопровода (—теор., - - экс.)

12 3 4

Рисунок 9 - Графическая зависимость перемещения оголовка стрелы при наезде на неровность 0,23 м (-теор., - - экс.)

Для экспериментального исследования математической модели КТ был использован КТ марки ТО 1224Е1, на стреле которого была закреплена лазерная указка, направленная на планшет с размерной сеткой. Перед планшетом была установлена видеокамера, на которую фиксировалось положение точки лазерного луча. Перед правой гусеницей устанавливали искусственную неровность из бетонного блока и производили наезд на нее со скоростью 1 м/с. После наезда была проведена с помощью нивелира и мерной рейки съемка разницы между высотами блока и экспериментальной площадки. Высота неровности составила 0,23 м (рисунок 11).

Адекватность подтверждается сравнением результатов, полученных расчетным путем с помощью математической модели, с экспериментальными данными, расхождение между которыми не превысило 10 % (см. рисунки 8 — 10), что является достаточной точностью для решения поставленных в работе задач.

Для реализации устройства управления трубоукладочной колонной необходим алгоритм, позволяющий выполнять процесс укладки трубопровода в автоматическом режиме (рисунок 12).

Функциональная схема алгоритма, реализующего процесс управления, имеет в качестве входов первичные информационные параметры, измеряемые с помощью датчиков: Л, Ю., 1*3, Р4, Р5 — силы на крюках КТ; а,.шь а^, аод^ акг& — углы наклонов КТ в горизонтальной плоскости

Рисунок 10 — Переходный процесс трубопровода (530х 10 мм) (—теор., - - экс.)

Рисунок 11 - Наезд крана-трубоукладчика на неровность

инерциальной системы координат; €1, ¿2, 13, Ы, {5,1Ь - расстояния между КТ; пюл, пщъ «ктэ, "ат4, яда? — числа оборотов грузовых лебедок,* VI, (/2, КЗ, К4, У5 - высоты подвеса крюковых обойм КТ.

(Л~л4) (353) ОСпТ) (ХОТ) 0(24) (ЛИ) (ЗД2) (ЮГ) (XI4) (ИТ) (Ж2) (ЭТТ)

Рисунок 12 - Функциональная схема алгоритма, реализующего процесс управления

Помимо этого, в алгоритме используются следующие константы: у¡сг — угол наклона стрелы КТ; Муст — момент устойчивости КТ; Оуст — угол грузовой устойчивости; — минимальная высота подвеса трубопровода; £тр — максимальное расстояние между КТ, при котором сохраняется условие локального равновесия трубопровода и устойчивость КТ.

Алгоритм однотактный для многократного выполнения без необходимости хранения данных, работает следующим образом. На основании текущих значений первичных информационных параметров сравниваются значения грузового момента каждого КТ с моментом

устойчивости КТ. Если момент на крюке хотя бы одного КТ превышает его момент устойчивости, подается сигнал на раскручивание грузовой лебедки. После чего происходит сравнение текущей высоты подвеса крюковой обоймы с заданной. Если высота подвеса больше заданной, производится сравнение моментов. Если высота подвеса меньше заданной, подается сигнал позади идущему КТ на сокращение расстояния до впереди идущего КТ и снова сравниваются момент на крюке с моментом устойчивости. Если условие не выполняется, то сигнал на сокращение расстояния повторяется до тех пор, пока условие не выполнится. В случае выполнения условия подается сигнал на закручивание грузовой лебедки и проверяется высота подвеса крюковой обоймы КТ Происходит накручивание лебедки до тех пор, пока высота не достигнет заданного значения. Затем описанный цикл начинается заново со сравнения сил на крюках.

С целью снижения колебаний трубопровода и динамических воздействий, вызванных неровностями микрорельефа, была разработана перспективная конструкция КТ с УСГМ (рисунок 13).

Указанный технический результат снижения колебаний трубопровода и динамических воздействий достигается тем, иго в известном устройстве КТ, содержащем: базовый трактор, стрелу, лебедку, грузовой канат, крюковую обойму, грузовой полиспаст, устанавливают УСГМ, один конец которого неподвижно прикреплен к базовому фактору, а другой конец подвижен. На подвижном конце УСГМ прикреплен шкив, через который проходит грузовой канат от лебедки к грузовому полиспасту.

Элементы перспективной модели КТ: базовый трактор 1, стрела 2, лебедка 3, грузовой канат 4, полиспаст 5, крюковая обойма 6, труба 7, упруговязкий элемент 8, шкив 9 (см. рисунок 13).

Инженерная методика оптимизации основных параметров устройства управления КТ, работающими в трубоукладочной колонне, заключается в следующем:

1. Для разработанной математической модели трубоукладочной колонны задаются значения постоянных параметров:

а) параметры КТ: длина базы Xjcr, ширина базы Z¡a, длина стрелы Zct, масса трактора та, масса противовеса т% масса стрелы т2, координаты центров масс звеньев, осевые и центробежные моменты инерции Jix, Jty, Jlz, Jlxy, Jta, J¡zy,

б) параметры трубопровода: диаметр трубопровода Dtp, толщина стенки трубопровода ójp, плотность стали ртр,

в) по технической документации задаются численные значения параметров гидропривода;

2. Определяются диапазоны и шаги изменения оптимизируемых параметров устройства управления трубоукладочной колонной:

а) диапазон и шаг изменения подачи гидронасоса Q (gmin.'AS'Qnax);

б) диапазон и шаг изменения ширины зоны нечувствительности устройства управления трубоукладочной колонной В (Дщш'ДД'Дши);

в) диапазон и шаг изменения расстояния между КТ в колонне L (Хшь.'Д^-'Дшх)'

3. Задается номинальная грузоподъемность.

4. Проводятся вычисления на ПЭВМ. Оптимизируются параметры математической модели трубоукладочной колонны по критерию эффективности К (18). составляется массив зависимостей значений K¡, Къ со, от оптимизируемых параметров Q, В, L, Ту, Тг-

5. Проводится аппроксимация полученных зависимостей численных значений K¡, Къ со от Q, В, L, у, T¡, Тг, методом наименьших квадратов.

3

Рисунок 13 - Перспективная модель крана-трубоукладчика с УСГМ

6. Осуществляется переход от задачи условной оптимизации к задаче безусловной оптимизации методом множителей Лагранжа исключением из задачи оптимизации ограничений и граничпых условий.

7. Проводится оптимизация основных параметров устройства управления трубоукладочной колонны по полученным регрессионным зависимостям (19 — 21).

Инженерная методика доведена до уровня программы, графический пользовательский интерфейс которой взаимодействует с рабочей областью MATLAB и ее приложениями.

Данная программа взаимодействует с математической моделью трубоукладочной колонны посредством m-файла системы MATLAB, представляющего собой листинг программы расчета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ существующих методов управления и структуры сложной динамической системы комплекта машин, входящих в состав трубоукладочной коло1шы, позволил разработать новый подход к обеспечению грузовой устойчивости трубоукладочной колонны, при котором низкочастотные колебания, вызванные внешними воздействиями, компенсирует блок управления, а высокочастотные колебания компенсирует устройство стабилизации грузового момента. Научная новизна предлагаемых решений подтверждена патентами и свидетельством об отраслевой регистрации электронного ресурса РФ.

2. Разработанные математические модели крана-трубоукладчика и трубопровода позволили усовершенствовать и дополнить математическую модель сложной динамической системы трубоукладочной колонны, состоящую из подсистем микрорельефа, кранов-трубоукладчиков, трубопровода, устройств стабилизации грузовых моментов и блока управления, что позволило решить задачи анализа и синтеза охпимальных значений параметров устройства управления, влияющих на грузовую устойчивость трубоукладочной колонны.

3. Выявленные основные параметры рабочего процесса и устройства управления комплектом мантии трубоукладочной колонны, влияющие на грузовую устойчивость, позволили установить функциональные зависимости грузового момента и частоты колебаний крюковой обоймы каждого крана-трубоукладчика от параметров устройства управления.

4. Разработана и внедрена методика оптимизации основных параметров устройства управления комплектом машин трубоукладочной колонны, обеспечивающая грузовую устойчивость трубоукладочной колонны. Работоспособность методики подтверждена на примере исследования рабочего процесса колонны из пяти кранов-трубоукладчиков марки ТГ-503 при укладке трубопровода Ду1420*40 мм. Получены оптимальные, с позиции безопасности, значения основных параметров: для вылетов стрелы крана-трубоукладчика 5; 4,47; 3,8; 3,28; 2,5 м расстояния между кранами-трубоукладчиками 12; 15; 16; 19; 22 м соответственно; ширина зоны нечувствительности устройства управления 150 кН м; подача гидронасоса каждого крана-трубоукладчика 4,2'КГ3 м7с; коэффициент жесткости УСГМ каждого крана-трубоукладчика 200 кН/м, коэффициент вязкости УСГМ каждого крана-трубоукладчика 400 кН с/м.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Шабалин, А.Н. Математическое описание трубопровода для создания систем управления трубоукладочной колонны / А.Н. Шабалин // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2012 №3. С. 134-136.

2. Шабалин, А.Н. Система стабилизации нагрузки на кран-трубоукладчик / А.Н. Шабалин // Вестник СибАДИ; научный рецензируемый журнал. 2013. № 2 (30). С. 29-34.

3. Шабалин, А.Н. Алгоритм процесса управления положением крюковой обоймы грузоподъемного крана /В С. Щербаков, М.С. Корытов, А.Н. Шабалин // Вестник СибАДИ : научный рецензируемый журнал. 2013. № 3. С. 107-113.

4. Шабалин, А.Н. Модель взаимодействия гусеничного движителя с фунтом для моделирования дорожных и строительных машин в MATLAB SimMechanics / А.Н. Шабалин // Механизация строительства. 2013. № 9. С. 36-38.

5. Шабалин, А.Н. Совершенствование методов управления машинными комплексами, обеспечивающих оптимизацию рабочего процесса трубоукладочной колонны / B.C. Щербаков, М.С. Корытов, А.Н. Шабалин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 4 (28). С. 180-188.

6. Шабалин, A.M. Нанравлешм развтта теории безопасности рабочего процесса комплекта грузоподъемных машин трубоукладочной колонны / B.C. Щербаков, М.С. Корытов, А.Н. Шабалин //Известия Томского политехнического университета. Математика и мехазшка. Физика 2014 Т. 325. №2. С. 50-57.

Патенты н свидетельства:

1. Пат. 131371 Российская Федерация, МПК В66С23/88. Кран-трубоукладчик / Щербаков B.C., Шабалин А.Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобилыго-дорожная академия (СибАДИ)" (RU). № 2013114503/11 ; заявл. 01.04.2013 ; опубл

20.08.13, Бюл.№ 23. I.e.

2. Пат. 140144 Российская Федерация, МПК В66С23/88. Кран-трубоукладчик / Щербаков B.C., Шабалин А.Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобилыго-дорожная академия (СибАДИ)" (RU). № 2013155120/11 ; заявл. 11.12.2013 ; опубл

27.04.14, Бюл№ 12.2. с.

3. Пат. 140492 Российская Федерация, МПК В66С23/88. Кран-трубоукладчик / Щербаков B.C., Шабалин А Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобилыго-дорожная академия (СибАДИ)" (RU). № 2013155099/11 ; заявл. 11.122013 опубл 10.05.14, Бюл.№ 13. I.e.

4. Пат. 146007 Российская Федерация, МПК В66С23/88. Кран-трубоукладчик / Щербаков B.C., Шабалин А.Н., Корытов М.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная авгомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" (RU). № 2014117386/11 ; заявл. 29.04.14 ; опубл. 27.09.14, Бюл. № 27. 1. с.

Монография:

1. Шабалин, А.Н. Методы управления комплектом машин трубоукладочной колонны : монография / B.C. Щербаков, А.Н. Шабалин, М.С. Корытов. Омск: СибАДИ, 2014. 152 с.

Статьи в других печатных ичлашшх:

1. Шабалин, А.Н. Математическая модель трубопровода с распределенными параметрами / А.Н. Шабалин // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: матер. VI Всерос. науч.-практ. конф. (с межд. участием). Омск : СибАДИ, 2011. Кн.2. 122 с.

2. Шабалин, А.Н. Система управлешга краном-трубоукладчиком, исключающая опрокидывание трубоукладочной колонны / А.Н. Шабалин // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: матер. VII Всерос. науч.-практ. конф. (смежд. участием). Омск: СибАДИ, 2012. Кн.2. 83 с.

3. Шабалин, А.Н. Перспективные конструкции крана-трубоукладчика, обеспечивающие снижение стоимости сервиса трубоукладочной колонны / B.C. Щербаков, М.С. Корытов, А.Н. Шабалин // Состояние и перспективы развития социально-культурного и технического сервиса : матер. II Всерос. науч.-практ. конф. (с межд участием). Бийск : Изд-во Алг. гос. техн. ун-та, 2014. 4.2. С. 113-118.

Информационные ресурсы:

1. Информационный ресурс «Алгоритм системы управления трубоукладочной колонны»: Инв. номер ОФЭРНиО № 16687 / А.Н. Шабалин. Инв. номер ВНТИЦ № 50201251345; заявл. 10.09.2012; опубл. 20.11.2012.

Подписано к печати 23.10.2014 Формат 60 х 90 1/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Тайме Усл. п. л. 1,0.

Тираж 150 экз. Заказ № 294

Отпечатано в отделе ОП ИПЦ СибАДИ 644080, г. Омск, пр. Мира, 5