автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Устойчивость мобильных грузоподъемных машин при ненормируемых внешних воздействиях

На правах рукописи

КОЗЛОВ Максим Владимирович

УСТОЙЧИВОСТЬ МОБИЛЬНЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН ПРИ НЕНОРМИРУЕМЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность

05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2006

Работа выполнена на кафедре "Подъемно-транспортные машины и оборудование" ГОУ ВПО «Тульский государственный унизсрситст»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сорокин Павел Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент Сероштан Владимир Иванович

Ведущая организация: НПФ «Рекран», Тульская обл., г. Узловая.

ул. Суворова, 11

Защита состоится 27 декабря 2006 г. в 16 ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу 300600, г. Тула, ГСП, проспект Ленина, д. 92, учебный корпус №2, ауд. №312.

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

Автореферат разослан « £5»

Ученый секретарь диссертационного совета

200_£ г.

В.А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Согласно статистическим данным Ростехнадзора , России, производственный травматизм и аварийность на подъемных сооружениях занимают третье место (после травматизма в угольной и горнорудной промышленности) и составляет примерно 90 аварий в год. Приведенная статистика свидетельствует о необходимости поиска дополнительных методов снижения аварийности и повышения безопасности парка грузоподъемных кранов.

Обеспечение устойчивости грузоподъемных машин (ГПМ) является важнейшим условием при разработке систем управления их рабочими операциями. Это связано, во-первых, с тем, что около половины всех аварий мобильных ГПМ связано с их опрокидыванием, во-вторых, с тем, что потеря устойчивости приводит, как правило, к разрушению самой машины без возможности ее дальнейшего восстановления, а также возможным вторичным разрушениям и человеческим жертвам. Особенно это важно, когда по тем или иным причинам грузоподъемная машина в процессе эксплуатации испытывает на себе ненорми-руемые внешние воздействия, представляющие собой просадку почвы под выносными опорами, ветровые нагрузки, ошибки оператора-крановщика.

В настоящий момент наиболее распространенным устройством, позволяющим контролировать устойчивость установки, является ограничитель грузового момента, работающий в индикаторном режиме, и не влияющий на управление машиной до момента достижения критического значения устойчивости. Использование такой системы может привести, вследствие динамических нагрузок при резком трогании груза, в худшем случае — к опрокидыванию, в лучшем - к остановке работы с грузом, который мог бы быть поднят при более плавном разгоне. В то же время ручное регулирование скорости может привести к тому, что более легкий груз будет перемещаться медленней, чем того требуют условия безопасности. При большом числе рабочих циклов с однородным грузом это может привести к значительным потерям рабочего времени, которого можно было бы избежать при автоматическом регулировании силы, приложенной к грузу со стороны рабочих механизмов.

Таким образом, задача создания автоматизированной системы управления ГПМ, обеспечивающей максимум эксплуатационной производительности при сохранении условий устойчивости является актуальной. Система должна выполнять следующие функции: постоянный контроль параметров ГПМ и внешних факторов, влияющих на устойчивость; определение текущего значения предельно допустимой нагрузки; выработка управляющих сигналов на исполнительные механизмы ГПМ, обеспечивающих сохранение условия устойчивости; адаптация алгоритмов управления к изменяющимся внешним условиям; прогнозирование возможной просадки грунта под опорами ГПМ и заключение о возможности продолжения данного вида работ на данной площадке; аварийное отключение исполнительных механизмов и коррекция положения опорного контура и параметров ГПМ.

Цель работы. Повышение уровня эксплуатационной производительности и безопасности производства погрузоразгрузочных работ, выполняемых мо-

бильными ГПМ, при ненормируемых внешних воздействиях путем мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура.

Поставленная цель работы и анализ состояния вопроса позволили сформулировать следующие задачи исследования:

1. Анализ существующих отечественных и зарубежных устройств, обеспечивающих устойчивость крановых установок.

2. Разработка метода мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ.

3. Построение математической модели системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ.

4. Разработка методики оценки просадки грунта под опорой мобильной ГПМ.

5. Экспериментальное исследование устойчивости ГПМ от опрокидывания.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на

элементах теории грузовой устойчивости ГПМ, теории механики грунтов, метода конечных элементов и теории планирования эксперимента. Для проведения расчетов использовалась вычислительная среда МаНаЬ 6.5.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием фундаментальных положений теории грузовой устойчивости, адекватностью разработанной математической модели реальным процессам, подтверждением полученных теоретических результатов данными эксперимента и результатами промышленной апробации.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Метод мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ, отличающийся тем, что впервые мониторинг грузовой устойчивости осуществляется непрерывным контролем и коррекцией положения проекции центра масс внутри , опорного контура, а при возможности опрокидывания ГПМ стабилизации опорного контура путем перераспределения рабочей жидкости в опорных гидроцилиндрах.

2. Математическая модель системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ, учитывающая текущее положение проекции центра масс внутри зон устойчивости опорного контура.

3. Методика оценки и прогнозирования просадки грунта под опорой мобильной ГПМ, учитывающая взаимосвязь между нагрузками на опору и структурой грунта.

4. Принципы построения системы стабилизации опорного контура мобильной ГПМ, позволившие модернизировать конструкцию гидрооборудования опорного контура.

5. Регрессионная модель оценки опрокидывающего момента, позволяющая оценить эффект влияния просадки грунта под опорами на величину опрокидывающего момента.

Научная новизна. В диссертации впервые разработан метод мониторинга грузовой устойчивости, базирующийся на непрерывном контроле и коррекции положения проекции центра масс относительно зон устойчивости опорного контура с учетом ненормируемых внешних воздействий, и стабилизации опор-

ного контура мобильных ГПМ при возникновении возможности опрокидывания, осуществляемой путем перераспределения рабочей жидкости в опорных гидроцилиндрах.

Практическая значимость работы заключается в разработке на основе метода мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура принципов построения и технических услбвий на проектирование электрогидравлической микропроцессорной системы управления устойчивостью мобильных ГПМ. Разработанные методы могут быть использованы для создания устройств безопасности и стабилизации положения не только мобильных ГПМ, но и любых наземных транспортных систем, использующих при выполнении заданных функций выносные опоры.

Реализация работы. Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы в организации ООО ИТЦ «Кран-сервис» г. Тула, а также в учебном процессе в курсе «Надежность машин» в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета, на 1-й специализированной выставке «Подъемно-транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2003» (Москва, ВВЦ), на 3-й специализированной выставке «Подъемно-транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2005» (Москва, ВВЦ), на региональной научно-технической конференции "Техника XXI ВЕКА глазами молодых ученых и специалистов" (Тула, 2003), на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Молодые ученые центра России: вклад в науку XXI века" (Тула, 2003), на VII Межвузовской конференции студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины" (Москва, 2003), на научно-практической конференции "Автоматизация: проблемы и решения. АПИР-8" (Тула, 2003), на VIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины" (Москва, 2004), на 1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России» (Тула, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статей, 5 тезисов докладов, патент РФ № 2267458.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованных источников, приложения, изложенных на 141 странице, содержит 6 таблиц, 45 рисунков, 3 приложения и библиографию из 69 наименований.

ОСНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы; сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов; приведены апробация и структура работы.

В первой главе проведен анализ современного развития систем безопасности ГПМ.

Использование электронных средств управления позволяет обеспечить заданную точность и избавить оператора от утомительного процесса частого переключения рукояток и постоянного наблюдения за параметрами, от которых зависит точность выполнения заданных функций и безопасность при производстве работ.

Наиболее распространенным устройством, позволяющим контролировать " устойчивость установки, является ограничитель грузового момента, предусматривающий при достижешш критического значения устойчивости включение звуковой сигнализации и частичную блокировку. Такие системы работают в индикаторном режиме, и не осуществляют активного воздействия на устойчивость машины.

Принимая во внимание малую продолжительность периода трансформации схемы опирания, когда крановая установка проходит состояние неустойчивого равновесия, а также факт концентрации внимания машиниста крана на перемещаемом объекте, процесс управления системой должен осуществляться бортовым автоматическим устройством.

Во второй главе представлен обзор методов обеспечения динамической устойчивости, возможных к применению в мобильных ГПМ, предложен метод мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ, получена математическая модель системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ, рассмотрены методы автоматизации контроля устойчивости мобильной ГПМ.

Основы теории грузовой устойчивости грузоподъемных машин представлены в трудах Аксенова И.П., Вайнсона A.A., Зарецкого A.A., Зайцева Л.В., Редькина A.B., Семенова Ю.Е., Тимина Ю.Ф..

При разработке системы управления мобильная ГПМ рассматривается как нестационарный объект, работающий в условиях априорной неопределенности. Нестационарность параметров мобильных ГПМ и внешних условий требует дополнительных мер для стабилизации процессов управления. С этой целью возможно применение адаптивных или робастных методов, позволяющих обеспечить заданные динамические характеристики управления.

Значение допустимой нагрузки определяется защитной характеристикой, представляющей собой гиперповерхность или функцию нескольких переменных, как управляемых, так и неуправляемых.

Предельная нагрузка Р является функцией ряда величин, постоянно изменяющихся в течение рабочего цикла (рис. 1).

В качестве основного аргумента защитной характеристики рассматривается вылет стрелы относительно ребра опрокидывания L, определяющий величину опрокидывающего момента, L = max[(¡L'cos - a) (¡¿'sin - б)].

Допустимое значение нагрузки Р определится следующим образом: Р = [GKP (с • eos у - h • sin у) - Ws ]/kL, где с, h- соответственно расстояние до оси вращения и высота центра масс не-нагруженного крана, Gj^p - вес крана, у - угол наклона опорного контура по

отношению к горизонтали, W — ветровая нагрузки на кран и на груз, к - коэффициент запаса, который согласно правилам Госгортехнадзора должен составлять не менее 1,15.

В общем случае защитная характеристика будет представлять собой гиперповерхность, которую можно представить в виде зависимости допустимой нагрузки Р от обобщенных координат X и Y.

В качестве обобщенного параметра, характеризующего устойчивость, предложено использовать положение центра приложения нагрузок относительно ребра опрокидывания. Координата X определяется текущим положением крановой установки и рабочего оборудования, координата У — внешними возмущениями и отклонениями в режимах работы механизмов. При управлении грузоподъемными операциями система датчиков формирует информационный массив, позволяющий определить текущее значение в зависимости от

которого подаются управляющие сигналы на исполнительные двигатели ГПМ.

Рис. 1. Схема нагружения стрелового самоходного крана где V — вылет стрелы относительно оси поворота; а, Ь- габаритные размеры опорного контура; (р - угол поворота стрелы; с - расстояние до оси вращения, И - высота центра масс ненагруженного крана; а - угол наклона стрелы;

у — угол наклона опорного контура по отношению к горизонтали. Для мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ предложен метод определения грузовой устойчивости крана по положению равнодействую-

щей всех сил (проекции центра масс), действующих на кран, относительно опорного контура крана. Основные положения метода:

1. Для обеспечения устойчивости всякого свободностоящего крана равнодействующая вертикальных опорных давлений при всех положениях крана должна проходить внутри опорного контура.

" 2. Критерием устойчивости крана является коэффициент устойчивости, характеризующий степень приближения точки приложения равнодействующей вертикальных опорных давлений к кромкам опорного контура.

Коэффициентом устойчивости крана в определенном направлении названо отношение размера опорного контура к расстоянию от точки приложения равнодействующей вертикальных опорных давлений до наиболее удаленной кромки опорного контура.

В этом методе учитываются также дополнительные воздействия на кран: силы инерции, ветер, уклон рабочей площадки и др., а численное значение коэффициента грузовой устойчивости крана определяется по формуле: 21

к =-- ^ 1.2, где Ь'- расстояние от оси вращения до линии направления рав-

I+ Ь

недействующей всех нагрузок, действующих на устойчивость груженого крана, / - расстояние от оси вращения крана до ребра опрокидывания.

Считая опоры материальными точками, в которых сосредоточена определенная часть массы установки, текущее положение проекции центра масс сис-

п п

темы может быть определено следующим образом: Мхс = с,, Мус = X ЩУ1,

С целью учета влияния на устойчивость динамических процессов вместо массы будим рассматривать суммарную нагрузку, приведенную к опорам = 2 С,, где Х^/ " сумма нагрузок, приведенных к ¡-м опорам.

где М = Ет, - полная масса системы; y¡ - координаты Z-й опоры.

а

у

2

Координаты приложения приведенной нагрузки будут определяться выражениями

X

и >

где Gi - нагрузка, приведенная к /-й опоре, т.е. GlfG2tG3,G4.

з

Координаты опор будут равны (см. рис.2):

ATi — Х4 '--Cl\ Х2~ X"i Cl',

Рис. 2. Схема опорного контура Тогда координаты проекции центра масс

Ух =У2 = Ь\уг=уА = -Ь.

J-G1+G2+G3-G4)a _(G1+G2-G3-G4)l> G1+G2+G3+G4 * Уе Gj + G2 + G3+G4

Исходя из этих величин, можно получить информацию о текущих значениях:

— угла поворота стрелы: çjj = arctg yCJ)JXcj - (—XQ) ;

-линейной скорости перемещения: vCJ =^(xc(j+1) -xCJ)2 + (ycU+i) - Уcj)2 IT,

где T— период опроса датчиков нагрузки системой управления, за который точка С изменяет свои координаты с xCJ, ус] до xc(J+1), yc{J+0;

- скорости поворота стрелы: coj = vCJ trj, где r} = xCJ - (-X0))2 + y2CJ - расстояние от точки С до центра опорного контура.

1 G G

- угол наклона рамы: ç?0 =—(—1—--'-), где Д - поперечная база опорного

В См С,

контура, С, - жесткость опор.

Накапливая в процессе выполнения грузоподъемных операций данные о значениях этих величин, система управления может формировать зависимости cp{t), vit), (o(t), <p0(t) и, проводя экстраполяцию, с определенной вероятностью судить о дальнейшем их изменении.

Выбрав положение проекции центра масс в качестве контролируемого параметра (рис. 3) легко показать, что максимальное значение коэффициент устойчивости (к =2) будет при Сх =0(Су =0), а минимальное значение (к = 1,2)

будет при Сх = (1Х - 0,61 х)/0,6, (Су =(1 у-0,61 у)/0,6). Нахождение проекции

центра масс С внутри этой области 1 гарантирует устойчивое состояние ГПМ.

При Сх<(1х-0,61х)/0,6, (Су <(1у -0,61 у)/0,6), т.е. к < 1,2, проекция центра масс крана (С', рис. 3) попадает в область опасного снижения запаса устойчивости 2 и ситуация считается аварийной. Создается угроза опрокидывания ГПМ, для предотвращения которой предложен метод стабилизации опорного контура.

Суть метода заключается в следующем: при смещении проекции центра масс в область опасного снижения запаса устойчивости необходимо блокировать все исполнительные системы и осуществить перераспределение (слив) определенного объема рабочей жидкости из поршневых полостей гидроцилиндров, противоположенных возможному ребру опрокидывания. Тем самым произойдет равномерная осадка опорного контура крана, что позволяет вывести проекцию центра масс в область гарантированной устойчивости.

Для предотвращения аварийных ситуаций вводится контрольная зона 3. Правилами устройства и безопасной эксплуатации кранов предусматривается расчет устойчивости ГПМ без динамических нагрузок. Коэффициент устойчи-

вости при статических нагрузках к ^ 1,4. Область этой контрольной зоны будит находиться в пределах опорного контура с диапазоном координат

'х~0>6/, <с ^/,-0,7/,; 1у~Ъ,61у <с < 1у -0,11 у

0,6

0,7

0,6

0,7

При смещении проекции центра масс в эту зону необходимо изменить параметры рабочих операций (снизить скорость перемещения, ограничить вылет стрелы, уменьшить момент на валу двигателя), не допуская тем самым попадания центра масс в область опасного снижения запаса устойчивости.

Рис. 3. Схема расположения областей контроля устойчивости:

1 - область гарантированной устойчивости, 2 - область опасного снижения запаса устойчивости, 3 — контрольная зона

Таким образом, метод автоматизации контроля устойчивости мобильной ГПМ заключается в периодическом определении положения проекции центра масс на плоскости опорного контура системы, выявлении направления смещения проекции центра масс за пределы области гарантированной устойчивости, генерирование сигнала опасного снижения запаса устойчивости и формирование воздействия стабилизирующего характера.

В третьей главе представлены результаты исследования просадки грунта под выносными опорами в зависимости от приложенных нагрузок, проанализированы возможности ее прогнозирования, предложена методика оценки просадки грунта под опорой мобильной ГПМ.

Основы теории механики грунтов представлены в трудах Вялова С.С., Зарецкого Ю.К., Флорина В.А., Цытовича H.A..

Исследуется просадка опоры для различных вариантов сочетаний слоев грунта. Принято, что кран КС3561А перемещает груз, соответствующий предельной грузоподъемности (25 т.) на максимальном вылете (3,2 м.) при выдвинутых четырех аутригерах. Стрела находится над одной из опор. Рабочий цикл состоит из трех этапов: подъем груза на заданную высоту, поворот стрелы на полный угол и опускание груза.

Нагрузки на опоры КА, Яв, Кс,. Ко от веса поворотной части с грузом определяются по формулам:

^ т[ 4Ь '

В(С) 4 1' a J 4 a J 4а 4Ъ

где е — расстояние от центра опорно-поворотного устройства до центра масс опорного контура, a, b - координаты опор, Gi - вес поворотной части с грузом, G2 — вес неповоротной части, р — угол поворота стрелы, tb t2 — расстояния от центра опорного контура до оси и центра тяжести опорно-поворотного устройства. При выводе последних формул предполагалось, что горизонтальные составляющие нагрузок отсутствуют, площадка — идеально ровная, жесткость грунта под всеми опорами одинаковая.

Ориентируясь на типичные структуры грунтов в Тульской области, были рассмотрены две геологические обстановки, отличающиеся чередованием глинистых и песчаных слоев различной толщины. Для оценки сжимаемости были применены компрессионные кривые, характеризующие зависимость между коэффициентом пористости и заданном давлении. Уравнение компрессионной кривой представлено в известном виде: е, + [m0 /(1 + 2^0)}9 = е0, где ш0 - коэффициент пористости, - коэффициент бокового давления грунта, ©=ax+ay+oz -сумма нормальных напряжений.

При теоретическом исследовании поведения грунтов под выносными опорами использован метод конечных элементов (МЬСЭ). Принято, что опора - абсолютно твердое тело; нагрузка на опору определяется массой поднимаемого груза и положением стрелы крана относительно опор.

Приводятся результаты расчетов для процесса нагружения. Величина силы, действующей на опору, принималась изменяющейся от 0 до 150 Кн (рис.4), то есть рассматривалась ситуация подъема груза. Для проведения расчетов использовалась вычислительная среда Matlab 6.5.

Результаты анализа показали, в каком слое возникают напряжения, превосходящие предельные, и, соответственно, в каком слое следует ожидать необратимой просадки и ее величину.

В процессе работы, грунт под выносными опорами подвергается циклическому нагружению. Причем нагрузка на каждую из опор не одинакова и изменяется при каждом рабочем цикле, при изменении траектории и работы с различными грузами. К тому же грунт может быть неравномерным и иметь различную плотность под разными опорами. Прогнозирование просадки грунта заключается в установлении закономерности изменения просадки под каждой из опор, в зависимости от действующей нагрузки в течение каждого цикла, и на основании установленных закономерностей делается заключение о возможности осуществления следующего цикла. В случае уплотнения грунта, т.е. при уменьшении просадок при каждом следующем цикле или отсутствии динамики

их увеличения должно приниматься решение о дальнейшем продолжении грузоподъемных операций. При увеличении просадок под опорами при каждом следующем цикле принимается решение о включении комплекса управления устойчивостью.

Первая обстановка Вторая обстановка

БМЫ = .208Е-05

.208Е-05 .185Е-05 .162Е-05 .138Е-05 .115Е-05 .923Е-06 .692Е-06 .462Е-06

5МИ - .307Е-05

.307Е-05 .272Е-05 .239Е-05

_ .204Е-05

РШ - .170Е-05 Г~1 -.136Е-06 Г"~1 - .102Е-06 - .062Е-06 ■■ О

Рис. 4. Вертикальные перемещения (осадка), X (м)

Таким образом, методика оценки просадки грунта под опорой включает:

1) Выбор модели грунта в зависимости от геологической ситуации по компрессионным кривым.

2) Построение конечно-элементной модели грунта.

3) Решение задачи в вычислительной среде МаЙаЬ 6.5.

4) Прогнозирование просадки грунта под каждой из опор.

5) Принятие решения о возможности осуществления следующего цикла.

В четвертой главе представлена разработка автоматизированного комплекса управления устойчивостью мобильных ГПМ, включающая в себя разработку структуры комплекса, принципы аппаратного построения комплекса, модернизацию конструкции гидравлического оборудования.

С учетом рассмотренных в первых трех главах вопросов, связанных с обеспечением устойчивости мобильных ГПМ, автоматизированный комплекс должен обеспечивать управление рабочими механизмами таким образом, чтобы нагрузка не выходила за значения, ограниченные защитными характеристиками, и осуществлять постоянный контроль и корректировку горизонтального положения опорного контура.

¡этштрдгйдро-■ 'йШбШкыТьньЩ

\УСИЛИТЕЛЬ | ! ГИДРОПРИВОД «

' - -ш

им

Рис. 5. Схема следящего гидропривода механизма подъема: СУ - система управления; ЭМ - электромагнит; ГУ — гидроусилитель; ЗГ - золотниковый гидроусилитель; ГД — гидравлический двигатель; ИМ - исполнительные механизмы; ДД - датчик давления; УОС - усилитель обратной связи.

Функциональная модель стабилизирующей системы может быть построе-, на по принципу замкнутого управления (рис. 5).

Согласно разработанному во второй главе методу управления грузовой устойчивостью суммарную нагрузку можно определить, зная нагрузки на выносных опорах и в качестве контролируемого параметра рассматривать положение центра масс (центра приложения приведенной нагрузки) относительно опорного контура (ребер опрокидывания).

Экстраполируя процессы нагружения несущих элементов, уже на ранней стадии возникновения отклонений, система может принимать адекватные меры для их устранения.

Для анализа инерционности системы составим структурную схему. В состав электрогидроусилителя входят электромагнитный преобразователь, представляющий собой колебательное звено с передаточной функцией

^эмп =х(р)/и{р)=кзмп/(т2р2 +2£мпр + 1),

и гидроусилитель, представляющий собой апериодическое звено первого порядка: IV¡у = рд (р) / х(р) = к^ ЦТ^р +1).

и х рд а

Рис. 6. Структурная схема следящего гидропривода выносных опор

Дроссельный гидропривод можно представить в виде совокупности интегрирующего (гидрораспределитель) и колебательного (гидроцилиндр) звеньев:

цг =><£) = _,_^__

ДЯЯ х{р) р(Т^р2+2^ТКр + 1)

Датчик горизонтали представим в виде апериодического звена:

цг = и АР)= Кг

дг а(р) Тдгр + 1

Структурная схема будет выглядеть так, как показано на рис. 6.

Постоянная времени электромагнитного преобразователя пренебрежимо мала по сравнению с элементами гидросистемы. Тогда передаточная функция разомкнутой системы будет выглядеть следующим образом:

кМ^ р{т>р2 + + + фдгР +

где К = кукмткгукигкдг— коэффициент усиления всей системы. Постоянные времени ТК, Тгу, Тог характеризуют длительность переходных процессов в соответствующих элементах и определяются их конструктивными особенностями.

Алгоритм функционирования системы управления следующий:

1) Система управления получает информацию" от датчиков нагрузки, установленных на выносных опорах.

2) Определяются текущие значения координат точки приложения приведенной нагрузки хс = /Х^,; Ус = Х^«•

3) Проверяется условие нахождения этой точки внутри области гарантированной устойчивости к — -—— >1.2.

I + о

4) Величина запаса по устойчивости определяет максимально допустимое увеличение нагрузки по отношению к текущему значению.

5) Управляющий сигнал на рабочие механизмы крана формируется таким образом, чтобы этот запас оставался в допустимых пределах.

1

гидравлического оборудования Постоянный контроль параметров, определяющих устойчивость мобильной ГПМ, осуществляется датчиками нагрузки, сигналы с которых поступают на преобразователь с целью представления в удобную для обработки (цифровую) форму. Сформированный таким образом информационный массив, характеризующий состояние системы, позволяет определить на основании математической модели устойчивости текущее значение коэффициента запаса устойчивости. Фиксация опорных нагрузок осуществляется с помощью интегральных полупроводниковых тензомодулей давления мембранного типа, установленных в напорной гидролинии опорных гидроцилиндров. Обработка поступающей информации осуществляется с помощью микропроцессорного модуля на базе микропроцессора с постоянно запоминающим оперативным запоминающим устройством.

Реализации исполнительной части автоматизированного комплекса управления устойчивостью требует минимальной модернизации конструкции гидравлического оборудования опорного контура (рис.7): параллельно существующему гидрораспределителю устанавливается распределитель типа У4690(4171А), управляемый релейным модулем (серий К1108, К572) бортового процессора. Модернизация гидравлической схемы опорного контура показана на рис. 5 (показано пунктиром). Схема содержит гидроцилиндры выдвижения опор 1, гидроцилиндры аутригеров 2, параллельные гидрораспределители 3, гидрораспределители 4, перепускной клапан 5.

Предложенный способ управления гидравлическим приводом можно реализовать с помощью системы дроссельного регулирования на входе (дроссель расположен последовательно с гидродвигателем на напорной гидролинии). Быстродействующий и высокодинамичный следящий гидропривод с электрическим управлением (рис. 8) состоит из двухкаскадного регулятора, электронного усилителя сигнала ошибки с измерителем электрического сигнала рассогласования и датчика обратной связи.

ДСУ - датчик системы управления; УСО - усилитель сигнала ошибки; ЭМП - электромеханический преобразователь; ГУ - гидроусилитель; ЗГ - золотниковый гидрораспределитель; СА - сопловой аппарат; ПОС — позиционная обратная связь на заслонку СА; ДОС - датчик обратной связи; ГД — гидродвигатель; Р„ат — давление в напорной линии; Р^ - давление в сливной линии; Ри Р2 — давление на входе и на выходе ГД; х — координата перемещения золотника; I- ток управления; б,, Сг2, и <74 — гидравлические проводимости окон ЗГ; иж — сигнал датчика обратной связи; А - величина перемещения входного звена гидроусилителя Простота принципа регулирования скорости и момента с помощью золотника заключается, прежде всего, в том, что изменение гидравлических сопро-

тивлений управляемых дросселей достигается при малых смещениях золотника, которое может измеряться долями миллиметра. Золотниковый гидрораспределитель, кроме плавного регулирования расхода жидкости, обладает свойством многократного усиления мощности сигнала управления.

Это позволяет применять его для управления рабочими механизмами ГПМ высокой грузоподъемности, а также для Коррекции горизонтального положения мобильных ГПМ в процессе работы путем изменения длины выдвижения гидроцилиндров выносных опор. Гидравлический привод с последовательно-дроссельным регулированием допускает применение автоматизации управления и интеграции с микропроцессорными комплексами с помощью простых и надежных электрогидравлическх усилителей.

Отличительными чертами системы является:

- ограничение грузового момента осуществляется не отключением рабочих механизмов при достижении критического значения устойчивости, а их активным управлением, не позволяющим выйти за допустимые пределы;

- при угрозе опрокидывания мобильной ГПМ осуществляется перераспределение определенного объема рабочей жидкости из поршневых полостей гидроцилиндров, тем самым вызывая равномерную осадку опорного контура.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований устойчивости крана от опрокидывания; построена и проанализирована регрессионная модель опрокидывающего момента мобильной ГПМ от величины просадок грунта под опорами аутригеров; получены условия стабилизации опорного контура.

Экспериментальные исследования заключались в определении величины опрокидывающего момента при имитации ненормируемых внешних воздействий (просадки почвы под опорами аутригеров крана). Просадка почвы имитировалась путем подъема и опускания соответствующих аутригеров крана путем перераспределения жидкости из поршневых полостей гидроцилиндров.

Для проведения эксперимента использован кран стреловой автомобильный КС-55713-1К грузоподъемностью 25тонн. Эксперимент проводился в сотрудничестве с ОАО «Строймеханизация» (г. Тула).

Эксперимент проводился при фиксированных координатах (р, у/ (см. рис. 9) и массе поднимаемого груза. Результат определялся бортовым индикаторным устройством.

При проведении экспериментальных исследований был применен метод планирования эксперимента. В качестве доминирующих факторов, определяющих величину опрокидывающего момента при фиксированных значениях геометрических параметров крана и нагрузки на стрелу, приняты значения просадки почвы под тремя опорами 5с,, Зс2, 5с3 опорного контура (рис. 9).

Использование для варьирования факторов изменения длины выдвижения гидроцилиндров аутригеров крана приводит к изменению угла наклона крановой установки и имитирует просадку грунта под различными опорами.

Для построения модели применена схема полного факторного эксперимента ПФЭ 23, которая позволяет получить модель по восьми опытам.

Рис. 9. Схема эксперимента Области определения каждого фактора, интервалы варьирования, координаты нулевой точки эксперимента и соответствующие им координатные значе-

ния представлены в таблице 1.

_Таблица 1.

Факторы Уровни факторов, м Интервал варьирования Область определения

-1 0 + 1 Верхние границы Нижние границы

0 0,050 0,100 0,050 0,1 0

х2 0 0,050 0,100 0,050 0,1 0

0 0,050 0,100 0,050 0,1 0

Экспериментальные результаты трех параллельных опытов по каждой строке матрицы планирования ПФЭ 23 усреднялись (см. таблицу 2).

1 м

Коэффициенты модели вычисляются по формулам С1 =—, и уравнения регрессии принимают вид:

у = 386 + 19,65с, +19,83с2 +0,373с3 -1,0 -2,5 + З,5*2*3 +1,55с1х2*3

Проверка однородности дисперсии Я,2{у}, соответствующих восьми строкам матрицы (опытам), с помощью С-критерия показала, что с доверительной вероятностью 0,95 дисперсии 5,2 однородны.

Таблица 2.

№ опыта *2 *3 Х2 ■Х1 *3 х2 Х3 Х2 Х3 У1 Ун Ут Уг Ъ2<у}

1 + — — — + + + — 340 360 335 345 175

2 + + - — - - + + 380 406 400 395 185,5

3 + - + - - + • - + 370 385 392 382 126,5

4 + + + - + — - - 420 416 430 422 52

5 + — — + + — - + 350 337 351 346 81

6 + . + — + - + - - 387 360 394 380 32,5

7 + - + + - - + - 395 390 389 391 10,5

8 + + + + + + + + 419 432 430 427 49

После отбрасывания незначимых коэффициентов регрессии, выявленных при проверке по критерию Стьюдента, модель принимает вид >> = 3 86 + 19,65?! + 19,85е2.

Проверка адекватности уравнения, проведенная по критерию Фишера, доказала, что с доверительной вероятностью 0,95 модель адекватно описывает процесс.

Таким образом, получена модель, оценивающая эффект влияния просадки двух аутригеров на величину опрокидывающего момента.

Условием минимума приращения опрокидывающего момента является равенство 19,63?! +19,8*2 =0, характеризующее соотношение между просадками грунта под аутригером и корректирующим давление в соответствующем гидроцилиндре.

Последнее выражение можно использовать для выработки сигналов управления величиной давления в гидроцилиндрах аутригеров, обеспечивающего минимальное приращение величины опрокидывающего момента у.

Полученная модель позволяет определить критические значения просадок под опорами, при которых мобильная ГПМ сохраняет устойчивость. Для 25 тонного крана при вылете стрелы 6 м критическое значение опрокидывающего момента при максимальной грузоподъемности 9,6 т, составляет 441 кНм. При подъеме груза массой 5 тонн величина критических значений просадок грунта под опорами х1гх2 теоретически могла бы достигнуть 1,39 м без потери устойчивости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в повышении эксплуатационной производительности и уровня безопасности производства погрузоразгрузочных работ, выполняемых мобильными ГПМ при ненормируемых внешних воздействиях, путем мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура. На основе теоретических и экспериментальных исследований впервые разработанного метода мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильных ГПМ, доказано, что непрерывный контроль и коррекция положения проекции центра масс внутри зон устойчивости опорного контура позволяют полностью исключить возможность возникновения аварийных ситуаций.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод мониторинга грузовой устойчивости, осуществляющий непрерывный контроль и коррекцию положения проекции центра масс внутри опорного контура, и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ путем перераспределения рабочей жидкости в опорных гидроцилиндрах (патент на изобретение РФ № 2267458). Метод позволяет контролировать положение проекции центра масс внутри зоны гарантированной устойчивости путем воздействия со стороны оператора-крановщика или автоматизированной системой управления устойчивостью мобильной ГПМ.

2. Разработана математическая модель системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ, позволяющая сформировать зоны устойчивости опорного контура и определять текущее положение проекции центра масс внутри этих зон. Модель может быть изменена в зависимости от типа крана или усложнена (учет колебаний груза на канате, упругости элементов металлоконструкции, деформации гидроцилиндров и т.д.) при предъявлении более жестких требований к системам управления устойчивостью.

3. Разработана методика оценки просадки грунта под опорой мобильной ГПМ, позволяющая прогнозировать поведение грунта под опорой при последующих циклах работ и выбирать управляющие решения оператором-крановщиком или автоматизированной системой управления устойчивостью мобильной ГПМ.

4. Предложены принципы построения электрогидравлической микропроцессорной системы мониторинга, управления и стабилизации грузовой устойчивостью мобильной ГПМ позволяющие выработать основные требования к автоматизированной системе безопасности мобильной ГПМ и модернизировать конструкцию гидрооборудования опорного контура.

5. Разработана регрессионная модель, оценивающая эффект влияния просадки гидроцилиндров на величину опрокидывающего момента, позволяющая определять критические значения просадок грунта под опорами, при которых мобильная ГПМ сохраняет устойчивость.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Козлов М.В. Автоматизированный комплекс управления устойчивостью мобильных грузоподъемных средств // Шестая московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» М.: Изд-во МГАВТ, 2002. -с. 35.

2. Я.С. Ватулин, М.В.Козлсв. Автоматизированный комплекс управления устойчивостью мобильных грузоподъемных средств // Труды второй межвузовской студенческой конференции «Механики - XXI веку». Братск: Изд-во БрГТУ, 2002. - с. 123-127.

3. Редькин A.B., Ватулин Я.С., Козлов М.В. Автоматизированный комплекс для повышения устойчивости стреловых самоходных кранов // Автоматизация и современные технологии. - N 6 - 2003. С. 3 - 6.

4. Редькин A.B., Козлов М.В.Система предотвращения опрокидывания мобильных грузоподъемных машин // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - С. 225-230.

5. Редькин A.B., Козлов М.В. Автоматизация обеспечения устойчивости стреловых самоходных кранов // Региональная научно-техническая конференция "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов". Тула, 2003.

6. Редькин A.B., Козлов М.В. Система обеспечения устойчивости мобильных грузоподъемных машин // Труды научно-практической конференции

молодых ученых и специалистов центра России "Молодые ученые центра России: вклад в науку XXI века". Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - С. 52-57.

7. Козлов М.В. Мониторинг исполнительных систем стреловых самоходных кранов // VII Межвузовская конференция студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины". - М.: Типография МИИТ, 2003. - С. 97.

8. Редыаш A.B., Козлов М.В. Прокофьев М.В. Формирование защитных характеристик ограничителей грузоподъемности стреловых кранов // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 132-136.

9. Козлов М.В. Методы и технические средства обеспечения устойчивости мобильных грузоподъемных машин // Восьмая межвузовская конференция студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины". М.: МГСУ, 2004 г. - с. 32.

10. Козлов М.В. Средства обеспечения устойчивости грузоподъемных машин // «Идеи молодых — новой России»: Сб. тез. док. 1-й Всероссийской науч-но-техн. конф. студ. и асп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - С. 79.

11. П.А. Сорокин, A.B. Редькин, М.В. Козлов. Система контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин. Патент на изобретение РФ № 2267458. Опубл. 10.01.2006.

12. М.В. Козлов. Автоматизация обеспечения устойчивости самоходных грузоподъемных машин на выносных опорах. // Изв. ТулГУ. Сер. Машиноведение, системы приводов и детали машин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 155-161.

13. П.А. Сорокин, A.B. Редькин, М.В. Козлов. Экспериментальные исследования устойчивости стреловых самоходных кранов от опрокидывания. // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 105-109.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать Формат бумаги 60x84 1/16- Бумага офсетная. Усл. печ. лУч.-изд. л. Тираж 400 экз. Заказ 4ХЪ.

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО РАЗВИТИЯ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

1.1. Обзор существующих устройств для контроля устойчивости

1.2. Устройства контроля установки горизонтального положения крана

1.3. Методы расчета устойчивости стреловых кранов 22 ВЫВОДЫ

2. МЕТОД СТАБИЛИЗАЦИИ ОПОРНОГО КОНТУРА МОБИЛЬНЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ СРЕДСТВ

2.1. Методы обеспечения динамической устойчивости мобильных грузоподъемных средств

2.2. Метод стабилизации опорного контура

2.2.1. Формирование защитных характеристик мобильных грузоподъемных машин

2.2.2. Мониторинг грузовой устойчивости

2.3. Моделирование процесса стабилизации опорного контура

2.4. Автоматизация контроля устойчивости стрелового самоходного крана

ВЫВОДЫ

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСАДКИ ГРУНТА ПОД ВЫНОСНЫМИ ОПОРАМИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ

МАШИН

3.1. Метод расчета нагрузки на опору

3.2. Построение математической модели просадки грунта под опорой с помощью метода конечных элементов

3.3. Расчет состояния грунта под опорой при активном нагружении 76 3.4. Прогнозирование просадки грунта при автоматическом управлении устойчивостью

ВЫВОДЫ

4. ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТЬЮ МОБИЛЬНЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ СРЕДСТВ

4.1. Структура комплекса

4.1.1. Управление исполнительными органами мобильных грузоподъемных машин

4.1.2. Компенсация просадки грунта под опорами

4.2. Аппаратное построение комплекса

4.2.1. Разработка системы датчиков

4.2.2. Устройства сопряжения

4.3. Модернизация конструкции гидравлического оборудования

ВЫВОДЫ

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КРАНА ОТ ОПРОКИДОВАНИЯ

5.1 Метод планирования эксперимента при исследовании устойчивости

5.2 Выбор плана эксперимента

5.3 Построение регрессионной модели опрокидывающего момента крана

ВЫВОДЫ

Актуальность темы. Согласно статистическим данным Ростехнадзора России, производственный травматизм и аварийность на подъемных сооружениях занимают третье место (после травматизма в угольной и горнорудной промышленности) и составляет примерно 90 аварий в год. Приведенная статистика свидетельствует о необходимости поиска дополнительных методов снижения аварийности и повышения безопасности парка грузоподъемных кранов.

Обеспечение устойчивости грузоподъемных машин (ГПМ) является важнейшим условием при разработке систем управления их рабочими операциями. Это связано, во-первых, с тем, что около половины всех аварий мобильных ГПМ связано с их опрокидыванием, во-вторых, с тем, что потеря устойчивости приводит, как правило, к разрушению самой машины без возможности ее дальнейшего восстановления, а также возможным вторичным разрушениям и человеческим жертвам. Особенно это важно, когда по тем или иным причинам грузоподъемная машина в процессе эксплуатации испытывает на себе ненормируемые внешние воздействия, представляющие собой просадку почвы под выносными опорами, ветровые нагрузки, ошибки оператора-крановщика.

В настоящий момент наиболее распространенным устройством, позволяющим контролировать устойчивость установки, является ограничитель грузового момента, работающий в индикаторном режиме, и не влияющий на управление машиной до момента достижения критического значения устойчивости. Использование такой системы может привести, вследствие динамических нагрузок при резком трогании груза, в худшем случае - к опрокидыванию, в лучшем - к остановке работы с грузом, который мог бы быть поднят при более плавном разгоне. В то же время ручное регулирование скорости может привести к тому, что более легкий груз будет перемещаться if медленней, чем того требуют условия безопасности. При большом числе рабочих циклов с однородным грузом это может привести к значительным потерям рабочего времени, которого можно было бы избежать при автоматическом регулировании силы, приложенной к грузу со стороны рабочих механизмов.

Таким образом, задача создания автоматизированной системы управления ГПМ, обеспечивающей максимум эксплуатационной производительности при сохранении условий устойчивости является актуальной. Система должна k выполнять следующие функции: постоянный контроль параметров ГПМ и внешних факторов, влияющих на устойчивость; определение текущего значения предельно допустимой нагрузки; выработка управляющих сигналов на исполнительные механизмы ГПМ, обеспечивающих сохранение условия устойчивости; адаптация алгоритмов управления к изменяющимся внешним условиям; прогнозирование возможной просадки грунта под опорами ГПМ и заключение о возможности продолжения данного вида работ на данной площадке; аварийное отключение исполнительных механизмов и коррекция положения опорного контура и параметров ГПМ.

Цель работы. Повышение уровня эксплуатационной производительности и безопасности производства погрузоразгрузочных работ, выполняемых мобильными ГПМ, при ненормируемых внешних воздействиях путем мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура.

В первую очередь, исследования затрагивают мобильные ГПМ, работающие, как правило, на неподготовленных площадках с ограниченным рабочим пространством. Однако, вследствие подверженности других типов свободностоящих ГПМ тем же внешним возмущающим факторам, для них применимы те же принципы обеспечения устойчивости, а разрабатываемая система может быть к ним приспособлена при внесении корректировок в алгоритмы управления, содержащиеся в памяти управляющего устройства.

Поставленная цель работы и анализ состояния вопроса позволили сформулировать следующие задачи исследования:

1. Анализ существующих отечественных и зарубежных устройств, обеспечивающих устойчивость крановых установок.

2. Разработка метода мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ.

3. Построение математической модели системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ.

4. Разработка методики оценки просадки грунта под опорой мобильной ГПМ.

5. Экспериментальное исследование устойчивости ГПМ от опрокидывания.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории грузовой устойчивости ГПМ, теории механики грунтов, метода конечных элементов и теории планирования эксперимента. Для проведения расчетов использовалась вычислительная среда Matlab 6.5.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием фундаментальных положений теории грузовой устойчивости, адекватностью разработанной математической модели реальным процессам, подтверждением полученных теоретических результатов данными эксперимента и результатами промышленной апробации.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Метод мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ, отличающийся тем, что впервые мониторинг грузовой устойчивости осуществляется непрерывным контролем и коррекцией положения проекции центра масс внутри опорного контура, а при возможности опрокидывания ГПМ стабилизации опорного контура путем перераспределения рабочей жидкости в опорных гидроцилиндрах.

2. Математическая модель системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ, учитывающая текущее положение проекции центра масс внутри зон устойчивости опорного контура.

3. Методика оценки и прогнозирования просадки грунта под опорой мобильной ГПМ, учитывающая взаимосвязь между нагрузками на опору и структурой грунта.

4. Принципы построения системы стабилизации опорного контура мобильной ГПМ, позволившие модернизировать конструкцию гидрооборудования опорного контура.

5. Регрессионная модель оценки опрокидывающего момента, позволяющая оценить эффект влияния просадки грунта под опорами на величину опрокидывающего момента.

Научная новизна. В диссертации впервые разработан метод мониторинга грузовой устойчивости, базирующийся на непрерывном контроле и коррекции положения проекции центра масс относительно зон устойчивости опорного контура с учетом ненормируемых внешних воздействий, и стабилизации опорного контура мобильных ГПМ при возникновении возможности опрокидывания, осуществляемой путем перераспределения рабочей жидкости в опорных гидроцилиндрах.

Практическая значимость работы заключается в разработке на основе метода мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура принципов построения и технических условий на проектирование электрогидравлической микропроцессорной системы управления устойчивостью мобильных ГПМ. Разработанные методы могут быть использованы для создания устройств безопасности и стабилизации положения не только мобильных ГПМ, но и любых наземных транспортных систем, использующих при выполнении заданных функций выносные опоры.

Реализация работы. Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы в организации ИТЦ «Кран-сервис» г. Тула, а также в учебном процессе в курсе «Надежность машин» в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета, на 1-й специализированной выставке «Подъемно-транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2003» (Москва, ВВЦ), на 3-й специализированной выставке «Подъемно-транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2005» (Москва, ВВЦ), на региональной научно-технической конференции "Техника XXI ВЕКА глазами молодых ученых и специалистов" (Тула, 2003), на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Молодые ученые центра России: вклад в науку XXI века" (Тула, 2003), на VII Межвузовской конференции студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины" (Москва, 2003), на научно-практической конференции "Автоматизация: проблемы и решения. АПИР-8" (Тула, 2003), на VIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины" (Москва, 2004), на 1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов ( «Идеи молодых - новой России» (Тула, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статей, 5 тезисов докладов, патент на изобретение РФ № 2267458.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованных источников, приложения, изложенных на 141 странице, содержит 6 таблиц, 45 рисунков, 3 приложения и библиографию из 69 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в повышении эксплуатационной производительности и уровня безопасности производства погрузоразгрузочных работ, выполняемых мобильными ГПМ при ненормируемых внешних воздействиях, путем мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура. На основе теоретических и экспериментальных исследований впервые разработанного метода мониторинга грузовой устойчивости и стабилизации опорного контура мобильных ГПМ, доказано, что непрерывный контроль и коррекция положения проекции центра масс внутри зон устойчивости опорного контура позволяют полностью исключить возможность возникновения аварийных ситуаций.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод мониторинга грузовой устойчивости, осуществляющий непрерывный контроль и коррекцию положения проекции центра масс внутри опорного контура, и стабилизации опорного контура мобильной ГПМ путем перераспределения рабочей жидкости в опорных гидроцилиндрах (патент на изобретение РФ № 2267458). Метод позволяет контролировать положение проекции центра масс внутри зоны гарантированной устойчивости путем воздействия со стороны оператора-крановщика или автоматизированной системой управления устойчивостью мобильной ГПМ.

2. Разработана математическая модель системы мониторинга грузовой устойчивости мобильной ГПМ, позволяющая сформировать зоны устойчивости опорного контура и определять текущее положение проекции центра масс внутри этих зон. Модель может быть изменена в зависимости от типа крана или усложнена (учет колебаний груза на канате, упругости элементов металлоконструкции, деформации гидроцилиндров и т.д.) при предъявлении более жестких требований к системам управления устойчивостью.

3. Разработана методика оценки просадки грунта под опорой мобильной ГПМ, позволяющая прогнозировать поведение грунта под опорой при последующих циклах работ и выбирать управляющие решения оператором-крановщиком или автоматизированной системой управления устойчивостью мобильной ГПМ.

4. Предложены принципы построения электрогидравлической микропроцессорной системы мониторинга, управления и стабилизации грузовой устойчивостью мобильной ГПМ позволяющие выработать основные требования к автоматизированной системе безопасности мобильной ГПМ и модернизировать конструкцию гидрооборудования опорного контура.

5. Разработана регрессионная модель, оценивающая эффект влияния просадки гидроцилиндров на величину опрокидывающего момента, позволяющая определять критические значения просадок грунта под опорами, при которых мобильная ГПМ сохраняет устойчивость.

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

2. Амелин В.М., Иньков Ю.М., Марсов В.И. и др. Электронные системы управления и контроля строительных и дорожных машин / Под. ред. Б.И. Пет-ленко. М.: Интекст, 1998.

3. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины: Учебник для вузов по специальности "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование". 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. -536 с.

4. Виглеб Г. Датчики. Пер. с нем. М.: Мир, 1989. 196 с.

5. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978.-447 с.

6. Гамынин Н.С., Жданов Ю.К., Климашин А.Л. Динамика быстродействующего гидравлического привода. М.: Машиностроение, 1979.

7. Гончарук A.M. Исследование устойчивости стреловых кранов при резком торможении спускаемого груза // Известия высших учебных заведений. Строительство и аргитектура. 1973. № 4. с. 13-16.

8. Гордин Ж.Г., Райгородский С.Р. Повышение эффективности использования монтажных кранов. М.: Стройдеталь, 1986. 84 с.

9. ГОСТ 29266-91. Краны грузоподъемные. Требования к точности измерений параметров при испытаниях.

10. ГОСТ Р 50046-92. Краны грузоподъемные. Требования безопасности к гидравлическому оборудованию.

11. ГОСТ 27552-87. Краны стреловые самоходные. Термины и определения.

12. ГОСТ 27553-87. Краны стреловые самоходные. Классификация по режимам работы.

13. Долгачев Ф.М., Лейко B.C. Основы гидравлики и гидропривод: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981.-183 с.

14. Епифанов С.П., Поляков В.И. Пневмоколесные и гусеничные краны. М.: Высшая школа, 1985.312 с.

15. Зарецкий Ю.К., Вялов С.С. Вопросы структурной механики глинистых грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1971. № 3. - С. 1-5.

16. Зайцев Л.В. Полосин М.Д. Автомобильные краны. М.: Высшая школа, 1982.208 с.

17. Зайцев Л.В., Улитенко И.П. Строительные стреловые самоходные краны. М.: Машиностроение, 1984. 256 с.

18. Желтков В.И., Комолов Д.В., Хромова Н.Г. Некоторые возможности автоматизации расчетов динамики вязкоупругих систем// Известия Тульского государственного университета. Сер. Математика. Механика. Информатика. Тула: ТулГУ, 1995. Т.1. Вып.2. С. 58-69.

19. Исследование стреловых самоходных кранов / Под редакцией Л.В. Зайцева. М.: Машиностроение, 1972. 109 с.

20. Козлов М.В. Методы и технические средства обеспечения устойчивости мобильных грузоподъемных машин / Восьмая межвузовская конференция студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины". М.: МГСУ, 2004 г. С. 32.

21. Козлов М.В. Мониторинг исполнительных систем стреловых самоходных кранов // VII Межвузовская конференция студентов и молодых ученых "Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины". М.: Типография МИИТ,2003.-С. 97.

22. Комелюк P.B., Кушнир Ю.Е., Маш Д.М. Микропроцессорная аппаратура защиты кранов с телескопической стрелой // Строительные, дорожные машины. 1992. № 1. с. 12-14.

23. Лизгунов В.Е., Бугреев Ю.В. Современные конструкции ограничителей грузоподъемности подъемно-транспортных машин // Подъемно-транспортное оборудование: Обзор. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1980. № 6-80-36. 61 с.

24. Литвак В.И. Электрические устройства автоматической аварийной защиты. М.: Машиностроение, 1980. 204 с.

25. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. М.:Наука, 1980 - 512с.

26. Малышев Л.П., Челахова Е.Н. Ограничитель грузоподъемности со световой и звуковой сигнализацией // Подъемно-транспортное оборудование. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1979. № 6-79-11. С 1-2.

27. Машины для монтажных работ и вертикального транспорта / В.И. Поляков, А.И. Альперович, М.Д. Полосин, А.Т. Чистяков; Под ред. С.П. Епифанова. М.: Стройиздат, 1981.381 с.

28. Мужичков В.И., Редников В.А. Грузоподъемные краны на железнодорожном ходу. М.: Транспорт, 1978.433 с.

29. Новак И.Т. Универсальный ограничитель грузоподъемности кранов // Подъемно-транспортное оборудование: М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1982. № 6-8210. С. 6-10.

30. ОНК 140-13. Ограничитель нагрузки крана (ограничитель грузоподъемности). Руководство. ПИО ОБТ. - 2002.

31. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10-92. // Сборник нормативных и справочных документов по безопасной эксплуатации грузоподъемных машин. М.: НПО ОБТ, 1995. Том 1. - С.23.176.

32. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов.: Справочник/В.И. Мяченков, В.ИМальцев, В.П. Майборода и др. Под общ. ред. В.И. Мяченкова. М.:Машиностр., 1989. - 520с.

33. РД 10-525-03. Рекомендации по проведению испытаний грузоподъемных машин. ПИО ОБТ - 2003.

34. РД 22-28-36-01. Краны грузоподъемные. Типовые программы и методики испытаний. ПИО ОБТ - 2001.

35. Редькин А.В. Автоматизация обеспечения устойчивости самоходных грузоподъемных машин на выносных опорах // Автоматизация и современные технологии. М.: Машиностроение. 2001. - N 8 - С. 7 - 10.

36. Редькин А.В. Адаптация управления грузоподъемными машинами к изменяющимся рабочим условиям // Автоматизация и современные технологии. М.: Машиностроение. 2004. -N 1 - С. 13 - 15.

37. Редькин А.В. Дроссельное управление гидроприводами рабочих механизмов стреловых самоходных кранов // Автоматизация и современные технологии. М.: Машиностроение. 2005. -N 1 - С. 7 - 10.

38. Редькин А.В. Методы обеспечения динамической устойчивости мобильных грузоподъемных машин // Автоматизация и современные технологии. М.: Машиностроение. 2004. - N 9 - С. 13 - 15.

39. Редькин А.В., Ватулин Я.С., Козлов М.В. Автоматизированный комплекс для повышения устойчивости стреловых самоходных кранов // Автоматизация и современные технологии. N 6 - 2003. С. 3 - 6.

40. Редькин А.В., Козлов М.В. Система предотвращения опрокидывания мобильных грузоподъемных машин // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 225-230.

41. Редькин А.В., Козлов М.В., Прокофьев М.В. Автоматизация управления динамической устойчивостью стреловых кранов // 8-я научно-практическая конференция "Автоматизация: проблемы и решения". Тула: Изд-во ТулГУ, 2003.

42. Редькин А.В., Козлов М.В., Прокофьев М.В. Формирование защитных характеристик ограничителей грузоподъемности стреловых кранов // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 132-136.

43. Редькин А.В., Селиверстов Г.В., Толоконников А.С. Тенденции развития ограничителей грузоподъемности стреловых самоходных кранов // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 180-184.

44. Семенов Ю.Е. Развитие метода расчета устойчивости стреловых кранов по предельным состояниям. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук.

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

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

47. Секулович М. Метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1993664 с.

48. Система защиты стрелового самоходного крана.1. М.Кл. В66С15/00.

49. JI.B. Зайцев, П.В. Панкрашкин, Н.Н. Копейкина, Б.Г. Васин и др. Авторское свидетельство №698903.1979.

50. Система контроля грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин. П.А. Сорокин, А.В. Редькин, М.В. Козлов. Патент на изобретение РФ № 2267458. 2006.

51. Система управления выносными опорами. Н.Н. Копейкина, С.С. Щед-ровицкий, А.А. Ловягин, И.П. Улитенко и др. Авторское свидетельство М.Кл. В66С 23/78. №422681. 1974.

52. Система защиты грузоподъемного крана. Коровин В.А. МПК В66С15/00. Заявка на изобретение № 2002108249/28.2002.

53. Смирнов О.А., Улитенко И.П. Гидравлические стреловые краны на специальном шасси. М.: Высшая школа, 1987. 216 с.

54. Совершенствование конструкций строительных кранов и манипуляторов: Сборник научных трудов / ВНИИСТРОЙДОРМАШ М.: 1988. Вып.111

55. Способ защиты грузоподъемного крана от перегрузки и повреждения и устройство для его осуществления. Коровин В.А. МПК В66С13/18. Заявка на изобретение № 2002108249/28. Пол. Решение от 10.12.2002

56. Справочник по кранам. В 2-х т. / В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.; Под общ. ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988. - Т.1.-536с.; 1988.-Т.2-559 с.

57. Тимин Ю.Ф. Исследование нагрузок на колеса и влияние их распределения на устойчивость автомобильных кранов: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Наук М., - 1972. - 177 с.

58. Флорин В.А. Основы механики грунтов: В 2 т. М.-Л.: Стройиздат, 1959. -Т.1.-357 е.; 1961. - Т.2. - 543 с.

59. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. - 288с.

60. Электрооборудование и системы управления подъемно-транспортными машинами: Учеб. пособие / П.А.Сорокин, Д.М.Крапивин, М.Н. Хальфин, А.В. Редькин, В.П. Папирняк. Тула: Изд-во ТулГУ 2003. - 379 с.

61. Hohm J., Schmidt-Mende P. Mikrorechner zur Lastmomentuberwachung bei Mobilkranen // VDJ-Berichte. 1981. N 421. S. 47-56.

62. Wehler H. Bedeutung der dynamische Krafte fur Uberlastungschutz an Kranen // Deutsche Hebe- und Fordertechnik.1974. N 4. S. 73-77.

63. Wehler H. Bedeutung der dynamische Krafte fur Uberlastungschutz an Kranen // Deutsche Hebe- und Fordertechnik.1974. N5. S. 39-41.