автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Совершенствование метода расчёта пролетных балок мостовых кранов

На правах рукописи

005061661

КАЛАБИН Павел Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЁТА ПРОЛЕТНЫХ БАЛОК МОСТОВЫХ КРАНОВ

• Специальность: 05.02.02 — «Машиноведение, системы приводов и детали

машин»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і з кем

Тула-2013

005061661

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Анцев Виталий Юрьевич

Лукиенко Леонид Викторович, доктор технических наук, профессор, Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», заведующий кафедрой «Теоретическая механика»

Ведущая организация:

Обыденов Валерий Анатольевич, кандидат технических наук, ЗАО «Производственная компания «Химсервис» имени А.А. Зорина», инженер-конструктор

ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»

Защита состоится «3» июля 2013 г., в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу 300012, г.Тула, пр. Ленина, 92, ауд. 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «31» мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Крюков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мостовые краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, погрузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. Они имеют большую номенклатуру типоразмеров и исполнений, их грузоподъемность достигает 800 т. Наиболее широко используются краны грузоподъемностью от 5 до 50 т.

Работоспособность, надёжность и безопасность эксплуатации кранов во многом зависит от качества исполнения их металлических конструкций. Несущим элементом металлической конструкции мостового крана является пролётная балка. При необходимых прочностных характеристиках пролётные балки должны быть технологичными, иметь малую стоимость и массу. Масса изделия машиностроения в значительной степени определяет его стоимость (выше 70 %) и сокращение расхода металла на 1 % ведет к снижению себестоимости изделия до 5 %. Особое значение металлоемкость имеет для мостовых кранов, в которых доля металлических конструкций достигает 80 % их металлоемкости.

В комплекс работ по снижению металлоемкости изделия входит внедрение научно обоснованных методов его расчетов, включая вариантное проектирование и оптимизацию. При этом, как правило, оптимальные металлические конструкции в целом не могут быть получены на основе оптимальных частных решений их элементов, так как в составе металлических конструкций отдельные элементы могут утрачивать оптимальные значения своих параметров.

Анализ металлоёмкости существующих металлических конструкций пролётных балок мостовых кранов показал, что разность в массах пролётных балок, предназначенных для одного типоразмера мостового крана, но изготовленных на разных предприятиях составляет до 15%. Поэтому совершенствование метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мостовых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 219 (шифр программы 2010-219-001.073, договор № 13X337.31.0023) и при поддержке Гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники.

Цель работы заключается в снижении металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов на основе проектирования пролетных балок с оптимальными массогабаритными показателями.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования'.

1) выполнить анализ конструкций и методов расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

2) разработать методику оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов;

3) разработать математическую модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов;

4) разработать усовершенствованный метод расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями и реализующее его программное обеспечение;

5) построить параметрический ряд и номограммы значений геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

6) осуществить практическую реализацию результатов научных исследований на предприятии, выпускающем грузоподъемные машины.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории расчета несущих металлических конструкций и метода конечных элементов. Для проведения расчетов использовались САПР SWR Simulation и вычислительная среда Mathcad-14.

Объект исследования — пролётные балки мостовых кранов.

Предмет исследования - взаимосвязь геометрических параметров поперечного сечения, условий работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и геометрическими поперечного сечения пролётной балки.

2. Математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, обеспечивающих снижение металлоемкости металлических конструкций мостовых кранов.

3. Метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями на основе совмещения проектного и проверочного расчётов, позволяющая производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины.

Научная новизна. Впервые реализован параметрический синтез пролётных балок мостовых кранов на основе многовариантного анализа геометрических параметров пролётных балок и совмещения проектного и проверочного расчётов.

Практическая значимость работы заключается в создании методического и программного обеспечения, предназначенного для расчета металлических конструкций мостовых кранов, что сокращает время проектирования и обеспечивает энергоресурсосбережение при их производстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ТулГУ, на ХШ Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подьемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2009), на 14 Международной науч-но-техническй конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения»

(г.Тула, 2009 г.), на XII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения» (Орел, 2010 г), на П Международном научно-практическом семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых (С-Пб., 2011), на VI молодежной научно-практической конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 107 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 127 страниц, в том числе 37 рисунков и 12 таблиц. Объем приложений составляет 8 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована аюуальносгь проводимых исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ конструктивных форм металлических конструкций мостовых кранов; рассмотрен процесс проектирования несущих металлических конструкций мостовых кранов, выявлены его недостатки; обоснована целесообразность снижения металлоемкости пролётных балок мостовых кранов.

Мосты мостовых кранов разнообразны по своим конструктивным формам. Они могут быть листовыми и решетчатыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили двухбалочные мосты листовой конструкции с коробчатыми пролетными и концевыми балками.

В существующей научно-технической литературе на основе многолетнего опыта проектирования, изготовления и эксплуатации, дан ряд рекомендаций по выбору параметров пролётных балок, устанавливающих связь между пролетом крана и основными параметрами балки, такими как: ширина, высота, база крана и т. п. При этом диапазон выбора размеров поперечного сечения достаточно широк, что не позволяет найти оптимального решения при выборе необходимых параметров. В работе был проведен анализ массогабаритных характеристик пролётных балок мостовых кранов грузоподъёмностью 20 тонн группы режима работы А5 при пролётах 10,5 м, 16,5 м, 22,5 м, 28,5 м, 34,5 м, спроектированных на разных предприятиях. Данные анализа показывают, что разность в массах балок составляет до 15 %.

Такое различие в массах пролётных балок обусловлено следующими причинами:

— необоснованным выбором марки стали для производства пролётных балок;

— несовершенством метода расчёта пролётных балок.

Основными факторами, определяющими выбор материалов для элементов сварных металлоконструкций, являются: минимальная температура окружающего воздуха при эксплуатации грузоподъемных машин, степень нагру-женности элементов и коррозионная агрессивность окружающей атмосферы.

В крановых металлоконструкциях находят применение малоуглеродистые, конструкционные и низколегированные стали.

Малоуглеродистые стали обычного качества рекомендуется назначать для несущих металлических конструкций грузоподъемных машин при диапазоне расчетных температур окружающего воздуха +40 °С... -20 °С. Для несущих сварных элементов металлических конструкций грузоподъемных машин, эксплуатируемых при температуре ниже -20°С, а также для снижения металлоемкости, рекомендуется применять низколегированную сталь или малоуглеродистую термоупрочненную сталь.

Анализ более 220 мостовых кранов показал, что наибольшее распространение (>75 %) имеют краны климатического исполнения УЗ по ГОСТ 15150-69, предназначенные для эксплуатации в закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий. Поэтому был рассмотрен вопрос выбора марки стали для несущей металлической конструкции. При этом были проанализированы массо-габаритные показатели пролетных балок кранов мостовых электрических двухбалочных общего назначения грузоподъемностью 2 от 5 до 50 т., пролетами Ь от 10,5 до 34,5 м режима работы А5 для наиболее часто применяемых сталей (СтЗпс5 и 09Г2С).

Результаты анализа показали, что:

-максимальная разность масс металлических конструкций пролётных балок, выполненных из сталей СтЗпс5 и 09Г2С, составляет 4,2 %;

— для мостовых кранов режима работы А5 грузоподъемностью от 5 до 50 т. при любых величинах пролетов, определяющим является условие жесткости;

— при проектировании мостовых кранов указанных грузоподьемностей и пролетов климатического исполнения УЗ экономически целесообразно применение более дешевой (до 10 %) стали СтЗпс5.

Разработке метода оптимизации параметров пролётных балок мостовых кранов посвящены работы многих авторов, в том числе В.Н. Демокригова, Н.С. Летникова, Л .Г. Серлина, М.М. Гохберга, С.А. Соколова, С.А. Казака и других ученых. Однако, в существующих методах оптимизации:

— находятся оптимальные частные решения отдельных элементов (высоты стенки, ширины поясов, толщины поясов), которые в составе конструкции пролётной балки могут утрачивать оптимальные значения своих параметров;

— не учитывается условие динамической жесткости;

— нет возможности нахождения оптимальных параметров поперечного сечения балки, требующей расчёта на сопротивление усталости.

Поэтому задача разработки метода расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями не нашла окончательного решения.

На основании вышеизложенного определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе разработана методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана.

Оценку массы пролетной балки мостового крана предложено производить по зависимости:

М = + (1)

гДе ^оп - площадь опорного сечения пролетной балки; / - величина скоса; Р - площадь основного сечения пролетной балки; Ь - длина балки; р - плотность стали (р = 7800 кг/м ); к^ — коэффициент оребрения, учитывающий массу ребер, диафрагм, фланцев, накладок, соединительных планок и других деталей, не входящих в расчетное сечение.

Предложенная зависимость (1) отличается от известных тем, что существующие зависимости применимы для пролётных балок, имеющих постоянное поперечное сечение на всей длине пролёта. Однако, как правило, пролётные балки выполняются со скосами, расположенными по краям балки в местах соединения моста с концевыми балками. Учет величины скоса позволяет повысить точность оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана. Показано, что, исходя из опыта проектирования, величину скоса пролётной балки следует принимать приблизительно равной величине 0,1/, ч 0,2Ь. Так же в результате выполненных исследований автором установлено, что усредненное значение коэффициента оребрения следует принимать равным % =1,1, в отличие от значения, заданного интервалом % = 1,1... 1,3, приведенного в существующей научно-технической литературе.

Один из параметров функции массы балки, площадь поперечного сечения Р, зависит от прочностных характеристик стали, из которой изготовлена конструкция: чем более прочная сталь выбрана, тем площадь поперечного сечения, а, следовательно, и масса пролётной балки будет меньше и наоборот. Основными прочностными характеристиками стали, применяемой при производстве пролётных балок мостовых кранов, являются:

— предел текучести,

— предел выносливости,

— модуль упругости.

Модуль упругости для всех марок сталей одинаков. А предел выносливости и предел текучести зависят от химического состава стали. Причем, как правило, чем эти характеристики выше, тем сталь дороже. Поэтому при оптимизации металлической конструкции мостового крана в качестве критерия следует использовать её стоимость, определяемую произведением массы металлической конструкции на стоимость используемой для ее изготовления стали.

В третьем разделе разработана математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, позволившая усовершенствовать метод расчёта параметров поперечного сече-

иг ., •>_■'"шах 1У1тт_

пхУ- ___,1/„ >

ния пролётной балки на основе учета местного давления от ходового колеса тележки, условия динамической жёсткости и сопротивления усталости.

Для всех кранов режимов работы А6...А8 (ИСО 4301 и ПБ 10-382-00) требуется проведение проверочных расчетов на сопротивление усталости.

В работе был выполнен анализ нагруженности металлических конструкций мостовых кранов разных пролётов и грузоподъёмностей. Показано, что условие сопротивления усталости становится определяющим для кранов режима работы А6.. ,А8 при грузоподъёмности свыше 20 т.

В работе была разработана зависимость для определения требуемого момента сопротивления сечения, удовлетворяющего условию сопротивления усталости:

Л/тпях - _

-11Л-

jydr.No

где удгдг — коэффициент надёжности по усталостной характеристике; Л^ — базовое число циклов нагружения; Се — число циклов нагружения крана за срок службы; \е — коэффициент циклического нагружения; Мтах — максимальный изгибающий момент; Л/щщ — минимальный изгибающий момент; Я — коэффициент ассиметрии цикла; т — показатель степени усталостной кривой; — предел выносливости узла, зависящий от марки стали; у — расчетный коэффициент.

На основе зависимости (2) была разработана функция нахождения оптимального значения высоты балки исходя из условий сопротивления усталости:

где 5—толщина стенки.

В результате, для нахождения оптимальных значений высоты балки, исходя из условий прочности, жесткости и сопротивления усталости, может бьггь предложена следующая модель:

Л=тах{/ь,й/,/Ы(.}, (5>

/зЩГ

где И^ =.—— — оптимальное значение высоты балки исходя из условии V 25

прочности, где И^— момент сопротивления сечения.

А/ = ? — оптимальное значение высоты балки, исходя из условий \ о

статической жесткости, где Зх— момент инерции сечения.

V* = -оптимальное значение высоты балки исходя из условий

сопротивления усталости.

В процессе работы мостового крана пролётные балки подвергаются статической и динамической нагрузкам. Элементы металлических конструкций в зависимости от их расположения и конструктивного исполнения воспринимают эту нагрузку неравномерно. Так, если стенки пролетной балки, расположенные симметрично относительно её продольной оси, работают одинаково, то верхний и нижний пояса работают по-разному.

Верхний пояс пролетной балки в процессе эксплуатации мостового крана испытывает дополнительные напряжения вследствие местного давления ходового колеса грузовой тележки.

Когда же мостовой кран эксплуатируется в тяжёлом и весьма тяжёлом режимах, расчет необходимо производить, ориентируясь не на предел прочности, а на предел выносливости материала. Так как при растяжении предел выносливости ниже, чем при сжатии, то к нижнему поясу пролётной балки предъявляются иные требования, чем к верхнему поясу.

Поэтому для снижения металлоемкости металлических конструкций мостовых кранов следует проектировать пролётные балки с поясами разной толщины (рисунок 1).

У

V / / /

' / / У Л'

=3.

\?У / /

I/ // 71

В

Сз

X

Рисунок 1 - Поперечное сечение пролетной балки с поясами разной толщины

Существующая аналитическая методика определения оптимальных параметров поперечного сечения в данном случае становится аналитически нереализуемой, т. к. не представляется возможным в явном виде установить зависимость площади от моментов сопротивления, что объясняется смещением центра тяжести поперечного сечения в сторону более толстого пояса и усложнением расчетных формул определения моментов инерции и сопротивления сечения. Поэтому в диссертации была разработана математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, учитывающая разную толщину верхнего и нижнего поясов:

2 2 2 ¿х = — + {уЧт-<*-0-5*) -2!г5+В-а{уцт-<),5а) + В-х(Учт-А-а-0.5*) , (6)

2А33

^ + {уцт-а- 0.5А) -гАг+Л-а^-О^а) + В-х(Уут - И-3-0.5х)2

Г й! -7-—-'

+ -^1 + В-а-0.5а + В-х- а + И + -\

И-З-2 + В-а + В-х

А • 8- 2 • + + В -а- 0.5а + В ■ лг • Учт= А-5-2 + В-а + В-х (8)

где /х- момент инерции сечения; А - высота стенки; уцт. - координата центра тяжести сечения; 3 - толщина стенки; а - толщина нижнего пояса; В - ширина поясов; х - толщина верхнего пояса; 1¥х- момент сопротивления сечения.

Предложен усовершенствованный метод расчёта оптимальных параметров поперечного сечения пролётных балок мостовых кранов, основанный на разработанной математической модели (6)-(8), обеспечивающий снижение металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов. Усовершенствованный метод предусматривает выполнение следующей последовательности операций. Вначале вводятся требуемые характеристики мостового крана: грузоподъёмность, пролёт, режим работы и т. д. На основе этих исходных данных определяются дополнительные параметры: коэффициенты толчков, динамичности и т. д. Далее рассчитываются нагрузки, действующие на металлическую конструкцию. После определения нагрузок вводятся ограничения, выполнение которых необходимо для обеспечения требуемой прочности, жесткости, и которые учитывают технологию изготовления пролётных балок. Далее вычисляются оптимальные параметры поперечного сечения пролётной балки мостового крана.

Особенностью усовершенствованного метода является то, что в него введен дополнительный параметр - толщина верхнего пояса х (см. рисунок 1), ввиду наличия в нем дополнительных напряжений, а также то, что расчет оптимальных параметров поперечного сечения пролётной балки производится совместно для всех элементов (высота А и толщина 5 стенки, ширина поясов В,

толщина верхнего пояса х, толщина нижнего пояса а). Такой подход позволяет найти оптимальные размеры всего сечения пролётной балки, а не отдельных её параметров. При этом определяются параметры поперечного сечения пролётной балки, обеспечивающие минимум стоимости металлической конструкции.

Предложенный метод и математическая модель реализованы в системе автоматизированного проектирования РТС МаЛсаЫ 14.

На рисунке 2 представлены сравнительные зависимости площади поперечного сечения пролётной балки от величины пролёта крана при заданной грузоподъёмности, полученные предлагаемым методом (кривая 1) и на основе данных заводов-изготовителей мостовых кранов (кривая 2).

Рисунок 2 — Зависимость площади поперечного сечения пролётной балки от величины пролёта крана

Сравнение площадей поперечных сечений пролётных балок было проведено для типоразмеров мостовых кранов, стандартизованных по ГОСТ 534-78 и ГОСТ 1575-87. Результаты сравнения говорят о том, что металлоёмкость пролётных балок, спроектированных на основе предложенного метода, позволившего реализовать совмещение проектного и проверочного расчётов пролётных блок, а также учитывающего неравномерность нагруженности элементов пролётных балок до 10 % ниже, чем у выпускаемых на заводах.

Четвёртый раздел посвящен практической реализации результатов работы. Приведены база данных, необходимая для проектирования металлических конструкций пролётных балок, а также результаты исследования конечно-элементных моделей, подвергнутых нагружению в САПР SWR Simulation.

При отсутствии лицензионного программного обеспечения РТС Mathcad 14 на предприятии-изготовителе мостовых кранов, для упрощения процесса проектирования были построены ряды значений геометрических параметров поперечного сечения пролётных балок для мостовых кранов режимов работы А5-А8 с типоразмерами, стандартизованными по ГОСТ 534-78 и ГОСТ 1575-87 (таблица 1) , а для случаев, когда пролёт мостового крана отличается от стандартного, построены номограммы определения оптимальных высоты (рисунок 3) и ширины пролётной балки (рисунок 4) и разработаны рекомендации по выбору толщин стенок и поясов.

Таблица 1 — Ряды значений геометрических параметров поперечного сечения пролётных балок для мостовых кранов я режима работы А5, м.__

ь/<з 5 8 10 12,5 16 20 32 50

Ь=0,6 Ь=0,7 Ь=0,8 Ь=0,8 Ь=1 Ь=1,15 1і=1,21 1і=1,26

В=0,3 В=0,3 В=0,36 В=0,4 В=0,41 В=0,43 В=0,44 В=0,47

10,5 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,01 х=0,01

а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,006 а=0,008

5=0,005 5=0,005 5=0,005 5=0,005 5=0,005 5=0,005 5=0,006 5=0,008

1і=0,718 Ь=0,84 Ь=0,93 Ь=0,971 Ь=1,1 Ь=1,17 1і=1,25 1і=1,35

В=0,33 В=0,36 В=0,4 В=0,42 В=0,43 В=0,45 В=0,48 В=0,5

16,5 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,01 х=0,01

а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,006 а=0,008

5=0,005 5=0,005 5=0,005 6=0,005 6=0,005 6=0,005 5=0,006 5=0,008

Ь=0,9 Ь=1 Ь=1,083 Ь=1,185 Ь= 1,291 11=1,44 1і=1,54 1і=1,68

В=0,45 В=0,45 В=0,45 В=0,45 В=0,47 В=0,48 В=0,52 В=0,56

22,5 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,01 х=0,01

а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,006 а=0,008

5=0,005 5=0,005 5=0,005 6=0,005 6=0,005 6=0,005 5=0,006 5=0,008

Ь=1,14 Ь=1,156 1і=1,258 1і=1,38 1і=1,485 1і=1,6 Ь=1,8 1і=1,97

В=0,57 В=0,57 В=0,57 В=0,57 В=0,57 В=0,57 В=0,6 В=0,66

28,5 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,01 х=0,01

а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,006 а=0,008

5=0,005 5=0,005 5=0,005 6=0,005 6=0,005 6=0,005 5=0,006 5=0,008

Ь=1,35 Ь=1,4 Ь=1,45 1і=1,52 Ь=1,6 1і=1,75 Ь=1,94 1і=2,24

В=0,69 В=0,69 В=0,69 В=0,69 В=0,69 В=0,69 В=0,69 В=0,75

34,5 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,008 х=0,01 х=0,01

а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,005 а=0,006 а=0,008

5=0,005 5=0,005 5=0,005 6=0,005 6=0,005 6=0,005 5=0,006 5=0,008

Пвол*т, м

Рисунок 3 — Номограмма определения оптимальной высоты стенки пролётной балки в зависимости от пролёта и грузоподъёмности мостового крана группы

режима работы А5

Пролбт, м

Рисунок 4 - Номограмма определения оптимальной ширины пояса пролётной балки в зависимости от пролёта и грузоподъёмности мостового крана группы

режима работы А5

Для проверки адекватности полученных размеров поперечного сечения пролётной балки, были построены и подвергнуты нагружению в САПР SWR Simulation конечно-элементные модели пролётных балок мостового крана грузоподъёмностью 20 т. и пролётами по ГОСТ 1575-87. Данные типоразмеры являются наиболее распространенными. Результаты расчёта сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Значения допускаемых и расчетных характеристик пролётной балки _____

Пролёт крана, м Допускаемое напряжение, МПа Расчётное напряжение, МПа Допускаемый прогиб, м Расчётный прогиб, м

10,5 270 126 0,014 0,01

16,5 270 139 0,022 0,019

22,5 270 155 0,03 0,028

28,5 270 157 0,038 0,037

34,5 270 186 0,046 0,045

Результаты расчётов значений напряжений и перемещений в балках показывают, что значения прогибов и напряжений не превышают допустимых для каждого типоразмера балки. Из этого следует вывод, что прочность и жесткость пролётных балок с оптимальными массогабаритными показателями, полученными на основе разработанной математической модели и усовершенствованного метода расчёта геометрических параметров поперечного сечения пролётных балок, обеспечена.

В заключении обсуждены итоги работы и сформулированы общие выводы по диссертации.

В приложении представлены листинг программы расчета высокотехнологичных конструкций пролётных балок мостовых кранов и документ о внедрении результатов работы в ООО «Стройтехника» г. Донской, Тульской области.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная задача, заключающаяся в совершенствовании метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мостовых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке. При этом получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. В результате анализа конструкций и методов проектирования металлических конструкций мостовых кранов установлено, что высокая металло-

емкость существующих конструкций обусловлена несовершенством известного метода оптимизации металлических конструкций, основанного на расчёте не металлической конструкции в целом, а на независимом расчёте отдельных ее элементов.

2. Разработана методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и площадью поперечного сечения пролётной балки.

3. Показано, что разработанная математическая модель расчёта оптимальных геометрических параметров поперечного сечения пролётной балки обеспечивает снижение металлоемкости его металлических конструкций до 10% по сравнению с балками, спроектированными заводами-изготовителями по существующим методикам.

4. Предложен метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями, основанный на совмещении проектного и проверочного расчетов и учитывающий дополнительные напряжения в верхнем поясе пролётной балки от местного давления колеса грузовой тележки, что позволило производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины. Адекватность предлагаемого метода подтверждена на основе проведенного анализа напряженно-деформированного состояния конечно-элементных моделей пролетных балок.

5. Инженерный метод расчёта пролетных балок мостовых кранов и реализующие его программное обеспечение для ПЭВМ, параметрические ряды и номограммы поиска оптимальных массогабаритных показателей пролётных балок внедрены в ОАО «Стройтехника» (г. Донской, Тульской области) и используются в учебном процессе при подготовке студентов на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Снижение массы мостовых кранов путем оптимизации параметров поперечного сечения пролетных балок коробчатого сечения с разными толщинами поясов // Подьемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: Материалы XIII Московкой международной межвузовской научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. С.54-55.

2. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Оптимизация геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с поясами разной толщины // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 2.4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 53-57.

3. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Определение оптимальных размеров главных балок мостовых кранов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 4. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 18-22.

4. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Оптимизация массогабарит-ных показателей поперечного сечения главных балок мостовых кранов// Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Матералы междунар. научно-техн. конф. АПИР-14 - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 126-129.

5. Калабин П.Ю., Толоконников A.C., Проектирование несущих металлоконструкций мостовых кранов // Системы автоматизированного проектирования на транспорте: П Международный научно-практический семинар студентов, аспирантов и молодых ученых / под ред. С.Г. Подклетнова. — Спб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. С.44-45.

6. Калабин П.Ю., Толоконников A.C., Анцев В.Ю. Моделирование предельного состояния металлоконструкций мостовых кранов с оптимизацией размеров поперечных сечений // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Научно-технический журнал №5-2 -Орел: ОрелГТУ, 2010. С.71-75.

7. Калабин П.Ю., Анцев В.Ю. Управление технологичностью металлоконструкций пролетных балок мостовых кранов. // Материалы VI-й молодежной научно-практической конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации».- Тула: ТулГУ, 2012,- C.I36-137.

Изд. Лиц. JIP № 030300 от 12.02.97. Подписано в печать 30.05.2013 Формат бумаги 60x84 Vie. Бумага офсетная. Усл-печ. л. 0,9 Уч. Изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 019.

Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201360095

КАЛАБИН Павел Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЁТА ПРОЛЕТНЫХ БАЛОК

МОСТОВЫХ КРАНОВ

Специальность: 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и

детали машин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Анцев В.Ю.

Тула-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................4

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ..................................................11

1.1 Анализ металлоконструкций мостовых кранов.......................11

1.2 Обеспечение технологичности конструкции.........................14

1.3 Существующая методика проектирования металлических конструкций мостовых кранов.............................................................20

1.3.1 Выбор материала.........................................................21

1.3.2. Выбор геометрических параметров металлоконструкций......21

1.3.3. Методы расчётов на прочность............................:..........24

1.3.4. Расчетные сочетания нагрузок........................................24

1.3.5. Определение нагрузок на металлоконструкцию крана..........28

1.4. Анализ массогабаритных характеристик пролётных

металлоконструкций......................................................................30

1.5 Обоснование выбора марки стали для несущих металлических

конструкций мостовых кранов..........................................................32

1.6. Анализ существующих методов оптимизации параметров поперечного сечения пролётных балок мостовых кранов..............................41

1.7 Цель и задачи исследования..............................................43

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ МЕТАЛЛОЁМКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ МОСТОВЫХ КРАНОВ............44

2.1 Влияние металлоёмкости на технологичность конструкции......44

2.2 Методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов...........................................................................................50

2.3 Уточнение значения коэффициента оребрения......................54

2.4 Выводы........................................................................59

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЛЕТНЫХ БАЛОК МОСТОВЫХ КРАНОВ.......................................60

3.1 Математическая модель расчёта оптимальных размеров попереч-

ного сечения пролетной балки.......................................................60

3.1.1. Обоснование необходимости расчета поперечного сечения пролётной балки с поясами разной толщины.....................................68

3.2 Условия работоспособности металлической конструкции мостового крана.................................................................................75

3.3 Метод расчёта оптимальных параметров поперечного сечения пролётной балки........................................................................77

3.4 Программное обеспечение расчёта металлических конструкций с оптимальными массогабаритными показателями................................80

3.5 Сравнительный анализ технологичности металлических конструкций пролётных балок..............................................................83

3.6 Выводы........................................................................86

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВ-

НИЯ...............................................................................................87

4.1 Формирование информационной базы данных для проектирования пролётных балок мостовых кранов............................................87

4.2 Исследование напряжённо-деформированного состояния пролётных балок, с размерами поперечного сечения, полученными предлагаемым методом.....................................................................................95

4.3 Выводы.......................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............108

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................110

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Мостовые краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, по-грузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. Они имеют большую номенклатуру типоразмеров и исполнений, их грузоподъемность достигает 800 т. Наиболее широко используются краны грузоподъемностью от 5 до 50 т.

Работоспособность, надёжность и безопасность эксплуатации кранов во многом зависит от качества исполнения их металлических конструкций. Несущим элементом металлической конструкции мостового крана является пролётная балка. При необходимых прочностных характеристиках пролётные балки должны быть технологичными, иметь малую стоимость и массу. Масса изделия машиностроения в значительной степени определяет его стоимость (выше 70 %) и сокращение расхода металла на 1 % ведет к снижению себестоимости изделия до 5 %. Особое значение металлоемкость имеет для мостовых кранов, в которых доля металлических конструкций достигает 80 % их металлоемкости.

В комплекс работ по снижению металлоемкости изделия входит внедрение научно обоснованных методов его расчетов, включая вариантное проектирование и оптимизацию. При этом, как правило, оптимальные металлические конструкции в целом не могут быть получены на основе оптимальных частных решений их элементов, так как в составе металлических конструкций отдельные элементы могут утрачивать оптимальные значения своих параметров.

Анализ металлоёмкости существующих металлических конструкций пролётных балок мостовых кранов показал, что разность в массах пролётных балок, предназначенных для одного типоразмера мостового крана, но изготовленных на разных предприятиях составляет до 15%. Поэтому совершенствование метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мое-

товых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 219 (шифр программы 2010-219001.073, договор № 13.037.31.0023) и при поддержке Гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники.

Цель работы заключается в снижении металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов на основе проектирования пролетных балок с оптимальными массогабаритными показателями.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования\

1) выполнить анализ конструкций и методов расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

2) разработать методику оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов;

3) разработать математическую модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов;

4) разработать усовершенствованный метод расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями и реализующее его программное обеспечение;

5) построить параметрический ряд и номограммы значений геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

6) осуществить практическую реализацию результатов научных исследований на предприятии, выпускающем грузоподъемные машины.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории расчета несущих металлических конструкций и

метода конечных элементов. Для проведения расчетов использовались САПР SWR Simulation и вычислительная среда Mathcad-14.

Объект исследования - пролётные балки мостовых кранов.

Предмет исследования — взаимосвязь геометрических параметров поперечного сечения, условий работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов.

В первом разделе проведен анализ конструктивных форм металлических конструкций мостовых кранов; рассмотрен процесс проектирования несущих металлических конструкций мостовых кранов, выявлены его недостатки; обоснована целесообразность снижения металлоемкости пролётных балок мостовых кранов.

Мосты мостовых кранов разнообразны по своим конструктивным формам. Они могут быть листовыми и решетчатыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили двухбалочные мосты листовой конструкции с коробчатыми пролетными и концевыми балками.

В существующей научно-технической литературе на основе многолетнего опыта проектирования, изготовления и эксплуатации, дан ряд рекомендаций по выбору параметров пролётных балок, устанавливающих связь между пролетом крана и основными параметрами балки, такими как: ширина, высота, база крана и т. п. При этом диапазон выбора размеров поперечного сечения достаточно широк, что не позволяет найти оптимального решения при выборе необходимых параметров. В работе был проведен анализ массогабаритных характеристик пролётных балок мостовых кранов грузоподъёмностью 20 тонн группы режима работы А5 при пролётах 10,5 м, 16,5 м, 22,5 м, 28,5 м, 34,5 м, спроектированных на разных предприятиях. Данные анализа показывают, что разность в массах балок составляет до 15 %.

Разработке метода оптимизации параметров пролётных балок мостовых кранов посвящены работы многих авторов, в том числе В.Н. Демокри-

това, Н.С. Летникова, Л.Г. Серлина, М.М. Гохберга, С.А. Соколова, С.А. Казака и других ученых. Однако, в существующих методах оптимизации:

- находятся оптимальные частные решения отдельных элементов (высоты стенки, ширины поясов, толщины поясов), которые в составе конструкции пролётной балки могут утрачивать оптимальные значения своих параметров;

- не учитывается условие динамической жесткости;

-нет возможности нахождения оптимальных параметров поперечного сечения балки, требующей расчёта на сопротивление усталости.

Поэтому задача разработки метода расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов с оптимальными массогабарит-ными показателями не нашла окончательного решения.

На основании вышеизложенного определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе рассмотрен вопрос влияния металлоёмкости на технологичность металлической конструкции мостового крана, разработана методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана.

Отработка металлической конструкции мостового крана на технологичность производится выполнением отдельных мероприятий, направленных на более полное использование конструкторских и технологических возможностей, а также на повышение технико-экономических показателей производства. Одним из параметров технологичности является металлоемкость, снижение которой будет приводить к повышению технологичности металлической конструкции мостового крана.

Разработанная методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана отличается от известных тем, что существующие зависимости применимы для пролётных балок, имеющих постоянное поперечное сечение на всей длине пролёта. Однако, как правило, пролётные балки выполняются со скосами, расположенными по краям

балки в местах соединения моста с концевыми балками. Учет величины скоса позволяет повысить точность оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана. Показано, что, исходя из опыта проектирования, величину скоса пролётной балки следует принимать приблизительно равной величине 0,11, ...0,2Ь. Так же в результате выполненных исследований автором установлено, что усредненное значение коэффициента оребрения следует принимать равным кд=\,\, в отличие от значения, заданного интервалом кд = 1,1... 1,3, приведенного в существующей научно-технической литературе.

В третьем разделе разработана математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, позволившая усовершенствовать метод расчёта параметров поперечного сечения пролётной балки на основе учета местного давления от ходового колеса тележки, условия динамической жёсткости и сопротивления усталости. Приведены результаты снижения металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов

Четвёртый раздел посвящен практической реализации результатов работы, а также база данных, необходимая для проектирования высокотехнологичных металлических конструкций пролётных балок.

В заключении обсуждены итоги работы и сформулированы общие выводы по диссертации.

В приложении представлены листинг программы расчета высокотехнологичных конструкций пролётных балок мостовых кранов и документ о внедрении результатов работы в ООО «Стройтехника» г. Донской, Тульской области.

Основные положения, выносимые автором на защиту: 1. Методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мое-

товых кранов, материалом металлической конструкции и геометрическими поперечного сечения пролётной балки.

2. Математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, обеспечивающих снижение металлоемкости металлических конструкций мостовых кранов.

3. Метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями на основе совмещения проектного и проверочного расчётов, позволяющий производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины.

Научная новизна. Впервые реализован параметрический синтез пролётных балок мостовых кранов на основе многовариантного анализа геометрических параметров пролётных балок и совмещения проектного и проверочного расчётов.

Практическая значимость работы заключается в создании методического и программного обеспечения, предназначенного для расчета металлических конструкций мостовых кранов, что сокращает время проектирования и обеспечивает энергоресурсосбережение при их производстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ТулГУ, на XIII Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2009), на 14 Международной научно-техническй конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, 2009 г.), на XII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения» (Орел, 2010 г), на II Международном научно-практическом семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых (С-Пб., 2011), на VI молодежной научно-практической конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г.

Тула, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 107 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 127 страниц, в том числе 37 рисунков и 12 таблиц. Объем приложений составляет 8 страниц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Анцеву В.Ю. и научному консультанту к.т.н., доценту Толоконнико-ву A.C. за научные консультации при подготовке диссертационной работы, за помощь, поддержку, полезные замечания и предложения, высказанные в ходе обсуждения диссертационной работы.

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ.

1.1 Анализ металлоконструкций мостовых кранов.

Мостовым краном называется [36] грузоподъемная машина, передвигающаяся по рельсам на некотором расстоянии от земли (пола) и обеспечивающая перемещение груза в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Мостовой кран. 1-грузовая тележка; 2-главная балка; 3-рабочая площадка; 4-подтележечный рельс; 5-подкрановый рельс

Мостовые краны являются одним из наиболее распространенных средств механизации различных производств, погрузочно-разгрузочных и складских работ. Перемещаясь по путям, расположенным над землей, они не занимают полезной площади цеха или склада, обеспечивая в тоже время

обслуживание практически любой их точки.

Мосты мостовых кранов разнообразны по своим возможным конструктивным формам. Они могут быть листовыми и решетчатыми, одноба-лочными и двухбалочными.

Наибольшее распространение в настоящее время получили двухба-лочные мосты листовой конструкции с коробчатыми главными и концевыми балками, которые обладают рядом преимуществ.

Решетчатая конструкция обладает наименьшей массой, наименьшей высотой от головки подкранового рельса до рельса на мосту и хорошей горизонтальной жесткостью. Ее недостатки: большая трудоемкость изготовления, более низкое сопротивление усталости. В настоящее время мостов такой конструкции изготавливают мало.

Коробчатая конструкция поддается механизации изготовления, обладает хорошим сопротивлением усталости, меньшей