автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Устойчивость стрелового самоходного крана при выполнении рабочих операций

Тульский государственный университет

На правах рукописи

005007723

Чернов Александр Викторович

УСТОЙЧИВОСТЬ СТРЕЛОВЫХ САМОХОДНЫХ КРАНОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОЧИХ ОПЕРАЦИЙ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 Я Н В 2012

Тула 2011

005007723

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сорокин Павел Алексеевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иноземцев Александр Николаевич кандидат технических наук Обыденов Валерий Анатольевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Защита состоится «27» января 2012 г., в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу 300012, Тула, пр. Ленина, 92, ауд. (9-101).

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

Автореферат разослан « » декабря 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного сове] доктор технических наук, профессор

В.А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сохранение устойчивости стреловых самоходных кранов (ССК) является важнейшим условием при выполнении ими рабочих операций. Это связано, во-первых, с тем, что около половины всех аварий ССК связаны с опрокидыванием, во-вторых, с тем, что потеря устойчивости приводит, как правило, к разрушению самого крана без возможности его дальнейшего восстановления и эксплуатации, вероятным вторичным разрушениям и человеческим жертвам. Причины потери устойчивости могут быть самыми разнообразными, но, так или иначе, они связаны с превышением значения опрокидывающего момента над значением момента удерживающего. В подавляющем большинстве случаев перегрузки возникают во время переходных процессов, то есть в результате динамических нагрузок. Опрокидывание вследствие превышения допустимой массы груза предотвращается (при соблюдении правил безопасной эксплуатации) даже самыми простейшими механическими ограничителями грузоподъемности. Наиболее сложной задачей машиниста является обеспечение плавности пуска и торможения рабочих механизмов крана. Таким образом, при выполнении краном рабочих Операций основной задачей является предупреждение динамических перегрузок, превышающих допустимые значения, определяемые текущими параметрами крана, влияющими на устойчивость (длина стрелы, угол наклона и поворота, длина свободного конца каната и т. п.).

Применение современных достижений в области системы автоматической защиты ССК могут позволить избежать их перегрузки и опрокидывания, осуществить допустимые траекторные перемещения стрелы в стесненных условиях, контроль и учет производимой работы, обобщенную оценку ее эффективности и остаточного технического ресурса крана, контроль предаварийного состояния и т. п.

В настоящий момент наиболее распространенным устройством, позволяющим контролировать устойчивость крана, является ограничитель грузоподъемности, работающий в индикаторном режиме и не влияющий на управление краном до момента достижения критического значения перегрузки. 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 механизма подъема.

Таким образом, актуальной является задача повышения безопасности выполнения погрузочно-разгрузочных работ, на основе применения автоматизированного мониторинга и управления ССК. При этом должны обеспечиваться следующие функции: постоянный контроль параметров крана и

внешних факторов, влияющих на устойчивость в период действия сил инерции и дополнительных сил, возникающих при неравномерности восприятия нагрузки опорным контуром; выработка управляющих сигналов на механизмы, обеспечивающие сохранение устойчивости; адаптация алгоритмов управления к изменяющимся внешним условиям.

Объмсгом исследования являются стреловые самоходные краны с выдвижной телескопической стрелой, работающие, как правило, на открытом воздухе на неподготовленных площадках с ограниченным рабочим пространством.

Цель работы заключается в повышении устойчивости стреловых самоходных кранов при совершении рабочих операций путем мониторинга и активного управления динамическими нагрузками и величиной опрокидывающего момента.

Задачи исследования:

• анализ процесса возникновения динамических нагрузок и определение степени их зависимости от характера совершаемых движений краном при перемещении груза;

• математическое моделирование состояния ССК при совершении рабочих операций с учетом действия сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций краном с подвешенным на стреле грузом;

• экспериментальное определение динамических нагрузок;

• анализ степени влияния режимов работы ССК на изменение величины дополнительных сил инерции при повороте стрелы ССК с грузом;

• разработка способа управления работой ССК для обеспечения устойчивости крана.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории грузовой и собственной устойчивости ССК, а также на элементах теоретической механики и теории подобия. Для проведения расчетов использовалась программная среда Microsoft Excel 2003. При проведении эксперимента использовалось программное обеспечение RSLogix 5 и Drive Executive компании Rockwell Automation.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель состояния ССК при совершении рабочих операций с учетом действия сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций краном с подвешенным на стреле грузом;

- зависимость изменения величины сил инерции при перемещении краном груза от характеристики движения во время работы ССК;

- метод определения опрокидывающего момента, который, в отличие от известного, учитывает действия сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций ССК с подвешенным на стреле грузом;

- способ управления ССК путем контролирования параметров, компенсирующих опрокидывающий момент при совершении рабочих операций.

Научная новизна состоит в том, что впервые учтено действие инерционных нагрузок на различных этапах перемещения груза во время выполнения рабочих операций на устойчивость ССК, и теоретически обоснован способ

управления устойчивостью крана, основанный на зависимости силы реакции в канате от этих инерционных нагрузок, а также других нагрузок, передающих опрокидывающий момент ССК через груз и канат.

Достоверность подтверждается корректным использованием элементов теорий грузовой и собственной устойчивости, теоретической механики и теории подобия, адекватностью разработанной модели, подтверждением полученных теоретических результатов данными эксперимента.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный способ позволяет осуществлять мониторинг и активное управление устойчивостью с учетом инерционных нагрузок, приводящих к увеличению значения опрокидывающего момента, сигнализировать об опасной ситуации и корректировать алгоритм перемещения груза без остановки исполнительных механизмов. Разработанный способ управления устойчивостью может быть использован для создания устройств безопасности и стабилизации опрокидывающего момента не только ССК, но и любых свободностоящих систем, для которых постоянное изменение величины опрокидывающего момента и действующих инерционных нагрузок носит определяющий характер. Учет инерционных нагрузок уточняет оценку опрокидывающего момента до 30%.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Подъемно -транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета (Тула, 2007-2011), на 1-й магистерской научно-технической конференции (Тула, 2006), на I и И молодежных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула 2007, 2009), на XI и XII Московских межвузовских научно-технических конференциях студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные и путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва 2007, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 3 публикации в рецензируемых научных журналах, а также получено положительное решение по заявке на патент РФ № 2010123077/11 (032879) от 05.07.2011. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников, включающего 67 наименований. Работа содержит 125 страниц печатного текста, 48 рисунков и 31 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена ее структура и кратко раскрыто содержание разделов диссертации, рассмотрено современное состояние вопроса защиты ССК от опрокидывания и применение различных устройств безопасности, обоснована актуальность темы диссертации.

В первом разделе изложены результаты проведенных ранее исследований в области устойчивости ССК, в которых расчеты нагруженности мехаяиз-

мов подъема базируются на рассмотрении классических динамических моделей колебательных систем. Исследованиям нагруженности механизмов машин и устойчивости ССК посвящены работы: Богуславского И.В., Вайнсона A.A., Волкова Д.П., Гохберга М.М., Гладких П.А., Гобермана Л.А., Емельянова Р.Т., Макс Хаака, Васильченко В.А., Зарецкого A.A., Каминского Л.С., Редькина A.B., Федорова И.Г., Васина Б.Г., Рабиновича Л.В. и других. Однако в настоящее время задача оценки устойчивости ССК не нашла окончательного решения. В исследованиях не рассмотрено влияние процессов перемещения груза на устойчивость ССК.

Приведен анализ исследований граничного динамического равновесия ССК. В статическом состоянии отрыв внешних опор ССК происходит мгновенно. Потеря динамического равновесия ССК, вызывающая отрыв его внешних опор от основания, не обязательно связана с ее опрокидыванием. Все зависит от изменения движения ССК после потери контакта его внешних опор с основанием, и дальнейшего развития процесса перехода динамической системы из одного состояния в другое. В исследованиях рассмотрен только один возможный способ контроля устойчивости, а именно - контроль по граничному состоянию.

Приведен анализ неблагоприятного воздействия инерционных нагрузок на устойчивость машины в процессе работы, дана статистика по аварийности за последние годы и анализ причин опрокидывания стреловых самоходных кранов.

Приведены описания, принципы работы, назначения и технические характеристики современных приборов безопасности, применяемые в конструкциях современных ССК.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Второй раздел посвящен изложению составления математической модели ССК в процессе перемещения груза. Для рассмотрения используется система стрела — канат — груз. При рассмотрении процесса поворота выделены три этапа движения - начало разгона, движение с ускорением, частным случаем которого является установившееся движение, и торможение, причем в качестве допущения разгон и торможение осуществляются равноускоренно. В основе процесса моделирования лежит принцип Германа - Эйлера - Даламбера.

Принятый принцип используется для определения возникающих при повороте ССК сил инерции, сообщающих дополнительное опрокидывающее воздействие исследуемому крану, а также для выявления зависимости изменения расстояния от оси вращения крана до центра масс груза. В процессе моделирования были обоснованы причин изменения сил инерции в процессе выполнения ССК перемещения груза.

Предполагается, что силу инерции можно разложить на вращательную действующую в противоположную сторону угловому ускорению, и центробежную силу Р®, направленную противоположно центростремительному ускорению. Из этого следует отсутствие составляющих инерционной силы при отсутствии соответствующих компонентов ускорений. Также это обуславлива-

ет изменение данных сил инерции при изменении скорости, ускорения и расстояния от точки опоры до центра тяжести груза.

Значения этих сил определяется по следующим формулам:

Р®=щгкс»2; (1)

Р\=ЩГк N. (2)

где - масса груза, на который действует сила инерции; гк - расстояние, на которое удален центр масс груза от центра вращения крана; со - угловая скорость поворота крана является задаваемой величиной; |s| - модуль углового ускорения при повороте крана также является задаваемой величиной.

Для каждого этапа составлены соответствующие расчетные схемы (рисунки 1, 2, 3), которые в свою очередь описаны системами уравнений, основанными на принципе Германа - Эйлера - Даламбера. Данные системы уравнений представляют собой математические модели состояния крана для каждого этапа.

Рисунок 1 - Расчетная схема для этапа начала разгона Сила реакции в канате на этапе начала разгона определяется по формуле:

Руг Р^дв

sin Р

1 хг sin а

a опрокидывающий момент на этапе начала разгона по формуле:

Мопр = Огр • гг + Gcmp ■ rcmp + (Р™ -Plc)-hc-P%-hz,

(3)

(4)

где Мпр - приводной момент; МТ - тормозной момент; Рхг - проекция на ось х силы инерции от углового ускорения, действующего на груз; Ау - изменение

высоты подвеса при движении; РуС — проекция на ось у силы инерции от углового ускорения, действующего на стрелу ССК; гг - расстояние от центра вращения до груза; РуС — проекция на ось у силы инерции от центростремительного ускорения, действующего на стрелу; кс - высота от опоры до центра тяжести стрелы; гс — расстояние от центра вращения до центра тяжести стрелы; 1стр - длина стрелы; а! - угол отклонения каната от вертикали при совершении движения в вертикальной плоскости; Остр - вес стрелы; гстр — расстояние от центра вращения до центра тяжести стрелы; у - угол наклона стрелы к горизонту; V - угол отклонения каната от вертикали при совершении движения в горизонтальной плоскости.

Сила реакции в канате на этапе движения с ускорением определяется по формуле:

р® , р£ _ р 1 уг """ Гуг Гдв

БшРг

^ г +

у

рЮ _ рЕ гхг 'хг

вша 2

(5)

а опрокидывающий момент на этапе движения с ускорением по формуле:

мопр = Огр ■ гг + астр ■ гстр + Р® • Ис - Р% ■ кг + ■ Иг. (6)

Сила реакции в канате на этапе замедления (торможения) определяется по формуле:

а опрокидывающий момент на этапе торможения по формуле:

м0пр = Огр ■ гг + Сстр -гстр + {Рх% +Рхшг)-иг+ (Р*с + Р*)-Ис. (8)

Для уточнения расчета нагрузок в опорах крана рассмотрен процесс на-гружения опорного контура ССК и составлены уравнения для определения реакций в опорах при совершении рабочих операций. Полученные расчетные формулы позволяют учитывать жесткость опорных элементов и податливость конструкции рамы.

Для учета жесткости рамы и выносных элементов опор при кручении были введены коэффициенты Крпотр и Крлрод, которые описывают поперечные и продольные характеристики жесткости рамы соответственно. Уравнения для определения нагрузок на опоры имеют вид:

А ^ О а. | р м. ^а КР"°»еР (9)

2 2 Ь I — К р.попер

I

соэа Крлрод вша Крлюпер

(Ю)

' '~~ ^ рлроО ^ 1 К р.попер )

л = ^ + — (11) 2 2К I ) I 1 -Кр*род

При расчете следует уточнить, что:

гг ср.прод ■ 2С0Я

Лрмрод-2С (2С с у М

опУ^ опр.проб >

С -1С

^ р.попер

^ р.попер - ,

оп олт<- р.попер >

где Ср пр0д, Ср п0пгр — коэффициенты жесткости при изгибном кручении рамы в продольном и поперечном направлениях соответственно; Соп— коэффициенты жесткости при изгибе выносных элементов опор.

Рассмотрен и описан процесс возникновения дополнительных усилий в канате при совершении операции подъема груза, с целью совмещения двух движений и получения результирующего усилия в канате.

Третий раздел посвящен созданию физической модели ССК для проведения эксперимента по определению натяжения каната с подвешенным грузом при повороте стрелы ССК. Изменение натяжения каната зависит от изменения нагрузки в процессе возникновения дополнительных динамических сил при появлении сил инерции от угловых и линейных ускорений. Полученные данные об изменении нагрузки позволяют оценить рост опрокидывающего момента при осуществлении поворотного движения.

Подробно описан процесс построения физической модели на базе теории подобия. Основополагающим законом для определения коэффициента подобия, который является безразмерной величиной, был выбран П-й закон Ньютона, который рекомендуется для построения всех механических физических моделей, так как безразмерная величина получается в результате деления таких величин, как: Г - сила, Н/м; г — время, с; т — масса, кг и / - длина, м, которые присущи большинству механических систем.

Коэффициент подобия определялся из условия существования физической модели:

Ыен=Ыет (14)

где Ыен- коэффициент подобия для реально существующей установки, Ыет — коэффициент подобия для физической модели.

Относительно рассматриваемого эксперимента безразмерная величина определялась равенством:

Рт'т . (15)

тн1н тт!ш

где, и - сила натяжения каната реально существующего крана (касательно эксперимента сила реакции (натяжения) в канате обозначается как /4) и физической модели соответственно (далее по аналогии), Н/м; г - время действия ускорения или замедления, с; т - масса груза, кг и / -длина вылета стрелы, м.

При проведении эксперимента использована грузовысотная характеристика ССК КС-3574М грузоподъемностью 14 тонн, взятая из паспортных данных крана.

Схема физической модели приведена на рисунке 4.

Для оценки погрешности измерений натяжения каната было произведено по 25 замеров для каждой группы испытания при изменении вылета стрелы, высоты подвеса, массы груза и времени ускорения и замедления.

Статистический анализ полученных расчетным путем значений натяжения в канате позволил получить значения действующих инерционных нагрузок и средние значения углов отклонения каната от вертикали в процессе перемещения груза.

Проведен эксперимент для определения степени влияния параметров движения при перемещении груза на возникающую при этом динамическую нагрузку. Изменяя значения параметров: времени ускорения и торможения, вылета стрелы и высоты подъема груза, получены данные, позволившие определить степень влияния параметров на возрастание значения натяжения в канате, что в свою очередь оказывает прямое влияние на увеличение опрокидывающего момента.

В работе построена регрессионная модель зависимости силы инерции Рш в функции двух факторов: высота подвеса и время разгона/торможения.

Например, для этапа торможения при вылете стрелы 5 метров зависимость будет соответствовать логарифмической функции.

^ =9058,22 + 451,09-1ёЯ-247,03-1§7\ Н (16)

где Н-высота подвеса груза, м; Т-время разгона/торможения, с.

А для этапа начала разгона при вылете стрелы 9 метров зависимость будет определяться гиперболической функцией.

3523,82 215,94 __ Рим =4406,01--— +--—, Н. (17)

н т

Определены значения коэффициентов корреляции, регрессии и детерминации, позволившие установить степень зависимости силы инерции от высоты подвеса для определенного вылета стрелы, а также от времени пуска или торможения.

Для определения адекватности эксперимента был проведен ^-тест по критерию Фишера, ^-статистика для проверки качества рассматриваемой модели записывается как отношение факторной суммы квадратов (в расчете на одну независимую перемененную) к остаточной сумме квадратов в расчете на одну степень свободы.

Табличное значение Рт критерия Фишера для эксперимента по определению натяжения в канате равно 4,43, расчетное значение для каждого этапа экспериментов определяется согласно табл.1. Условие адекватности эксперимента заключается в том, что расчетное значение должно быть больше табличного, причем величина расчетного значения не имеет значимости при оценке степени адекватности.

Таблица 1 - Расчетные значения критерия Фишера /-р

Параметр На этапе начала разгона На этапе движения с ускорением На этапе торможения

при вылете стрелы 13м 826,8 285,8 23,7

^ при вылете стрелы 9м 1838,0 178,9 10,5

при вылете стрелы 5 м 46834,5 617,9 792,7

Регрессионные модели адекватны.

Проведен сравнительный анализ предложенных методов расчетов опрокидывающего момента. Первый заключается в определении опрокидывающего момента в процессе построения математических зависимостей на основе расчетных схем ССК, второй заключается в пересчете значений, полученных экспериментальным путем в процессе моделирования процесса перемещения груза, третий - в вычислении опрокидывающего момента по общепринятой формуле без учета сил инерции. В результате были получены значения, которые позволяют определить эффективность применения расчетов по предложенным в данной работе методам, учитывающим динамические нагрузки в процессе разгона и торможения груза при перемещении краном груза. Для расчета был выбран стреловой кран КС-3574М.

В качестве сравнительной характеристики был выбран опрокидывающий момент, возникающий при работе с грузом на полностью выдвинутой стреле.

Результаты расчетов приведены в табл. 2, 3 и 4.

Таблица 2 - Значения опрокидывающего момента для этапа начала разгона

№ опыта Вылет стрелы, м Масса груза, т Длина канатного подвеса, м Расчетно определенный опрокидывающий момент, кНм Экспериментально определенный опрокидывающий момент, кНм Статически рассчитанный опрокидывающий момент, кНм

1 13 1,5 4 229,59 236,4 241,0

2 9 2,8 8 247,97 261,8 283,5

3 5 4 12 126,116 157,1 217,5

Таблица 3 - Значения опрокидывающего момента для этапа движения с ускорением

№ опыта Вылет стрелы, м Масса груза, т Длина канатного подвеса, м Расчетно определенный опрокидывающий момент, кНм Экспериментально определенный опрокидывающий момент, кНм Статически рассчитанный опрокидывающий момент, кНм

1 13 1,5 4 241,074 244,7 241,0

2 9 2,8 8 305,845 308,3 283,5

3 5 4 12 284,994 280,9 217,5

Таблица 4 - Значения опрокидывающего момента для этапа торможения

№ опыта Вылет стрелы, м Масса груза, т Длина канатного подвеса, м Расчетно определенный опрокидывающий момент, кНм Экспериментально определенный опрокидывающий момент, кНм Статически рассчитанный опрокидывающий момент, кНм

1 13 1,5 4 255,281 257,1 241,0

2 9 2,8 8 325,608 324,9 283,5

3 5 4 12 346,5 340,8 217,5

В приведенных таблицах графа «Расчетно определенный опрокидывающий момент» содержит данные, полученные в процессе использования расчетных формул, выведенных при составлении расчетных схем, описывающих состояние ССК на каждом этапе перемещения груза. Графа «Экспериментально определенный опрокидывающий момент» содержит массив данных, полученных расчетным путем при определении значений сил инерции экспериментальным путем, графа «Статически рассчитанный опрокидывающий момент» содержит данные, полученные расчетным путем по общепринятой формуле для вычисления опрокидывающего момента без учета влияния сил инерции.

Анализ результатов подтверждает повышение точности расчетов при учете динамических нагрузок, по сравнению с расчетом без дополнительных нагрузок, где определяемый опрокидывающий момент при определении имеет отличие до 30% (4 % 10 % и 30 % на вылетах стрелы 13 м, 9 м и 5 м соответственно).

Сравнение полученных результатов с результатами эксперимента и последующая проверка результатов по критерию Фишера, говорит о достоверности полученных данных, что позволяет считать полученный метод адекватным.

В четвертом разделе предложен способ мониторинга и управления устойчивостью ССК.

В процессе работы ССК измеряют натяжение каната. Из полученного значения натяжения, при помощи программы микропроцессора определяют текущее значение опрокидывающего момента и сравнивают с допустимым, вычисленным для данного вылета стрелы согласно грузовысотной характеристике. Учитывая возможность изменения положения стрелового оборудования, определяют оптимальные значения величин длинны стрелы, высоты подвеса, скорости и ускорения, при совершении дальнейшего движения и представляют

эту информацию на экране монитора. Машинисту предоставляется возможность изменения рекомендованных параметров при возникновении случая приближения текущего значения опрокидывающего момента к максимально допустимому. Для данного положения стрелового оборудования автоматически осуществляется плавное снижение скорости для предоставления возможности машинисту изменить параметры движения - высоту подвеса, угол наклона или длину стрелы, ускорение движения, в случае превышения допустимого опрокидывающего момента движение плавно прекращается, причем возможность дальнейшего движения остается только в рекомендованном режиме.

Условиями безопасного выполнения работ являются следующие ограничения:

1) опрокидывающий момент, рассчитанный для конкретного положения согласно предложенной зависимости, должен быть меньше рекомендованного опрокидывающего момента для каждого определенного момента совершения движения;

2) стрела с грузом находится в удалении от преграды, что контролируется датчиками, позволяющими определить положение рабочего оборудования и груза в рабочей области;

3) не должно происходить быстрого изменения натяжения каната.

Таким образом, в данном способе учтены возмущающие воздействия, передающие дополнительную нагрузку крану от груза по канату. К ним относятся ветровая и сейсмическая нагрузки, а также нагрузка от раскачивания груза при перемещении. Предложенный способ управления устойчивостью может быть использован в ССК любой группы, что может в значительной мере снизить аварийность при просадке опор в грунт, а так же при действии внезапных динамических сил в процессе перемещения груза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная задача повышения безопасности выполнения погрузочно-разгрузочных работ, на основе применения автоматизированного мониторинга и управления ССК. Вследствие подверженности других типов кранов тем же видам внешних возмущающих воздействий, для них применимы аналогичные принципы обеспечения устойчивости, а разрабатываемая система может быть к ним приспособлена при внесении корректировок в алгоритмы управления, содержащиеся в памяти управляющего устройства. При этом:

1. Впервые учтено действие инерционных нагрузок на различных этапах перемещения груза во время выполнения рабочих операций на устойчивость ССК и теоретически обоснован способ управления устойчивостью крана, основанный на зависимости силы реакции в канате от этих нагрузок, случайных ветровых нагрузок и нагрузок от просадки грунта под опорой.

2. На основании проведенного анализа возникновения динамических нагрузок во время совершения рабочих операций с грузом установлено, что разбиение процесса поворота на три этапа позволяет точно определить опрокидывающий момент с учетом центростремительного ускорения и силы инерции.

3. Предложенные математические модели состояния ССК при совершении рабочих операций учитывают действие сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций краном с подвешенным на стреле грузом. Учтены изменения сил инерции, влияющие на изменение опрокидывающего момента при увеличении значений вылета стрелы, высоты подвеса и ускорения движения.

4. Экспериментально полученные результаты соответствуют расчетным. Для всех этапов поворота стрелы крана с грузом погрешность составляет не более 3 %, а ошибка экспериментальной модели составляет не более 2 %. Учет центростремительного ускорения и силы инерции повышает точность вычисления опрокидывающего момента на вылете стрелы 13 м - до 4 %, на вылете стрелы 9 м - до 10%, а на вылете стрелы 5 м - до 30%.

5. Управление параметрами, влияющими на возрастание инерционных нагрузок, необходимо осуществлять двумя способами: варьированием значений скорости и ускорения при совершении поворотного движения; уменьшением динамических нагрузок за счет оптимизации параметров стрелы и подвеса при совершении поворотного движения. Значение опрокидывающего момента при максимальном вылете стрелы на 90 % зависит от ускорения движения, на среднем значении вылета - на 70 % от значения вылета стрелы, а на наименьшем вылете зависимость от вылета стрелы, высоты подвеса и ускорения движения одинакова, что необходимо учитывать при осуществлении работ по перемещению груза.

6. Способ мониторинга и управления устойчивостью стрелового самоходного крана (положительное решение 2010123077/11 (032879) от 05.07.2011) учитывает нагрузки, передающиеся машине через канат, в процессе работы. Способ может быть использован в стреловых кранов любой группы, что может в значительной мере снизить аварийность при просадке опор в грунт, а так же при действии внезапных динамических сил в процессе перемещения груза.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих статьях:

1. Жильцов A.B., Чернов A.B. Автоматизация обеспечения устойчивости самоходных грузоподъемных машин на выносных опорах // Лучшие работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С.219 - 222.

2. Чернов A.B. Предотвращение опрокидывания мобильных грузоподъемных машин с учетом просадки выносных опор при помощи автоматизации системы управления // Лучшие работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С.223 - 226.

3. Способ управления грузовой устойчивостью ССК и устройство для его осуществления: пат. 2349536 Рос. Федерация МПК В66С 15/00, В66С23/90, 2006.01/ Сорокин П.А, Редькин A.B., Чернов A.B., Жильцов A.B.; заявитель и патентообладатель Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский Государственный университет. -2007118310/11; заявл. 16.05.2007; опубл. 20.03.2009, Бюл. №8.

4. Чернов A.B. Автоматизация контроля и управления грузовой устойчивостью мобильных грузоподъемных машин // 1-я научно-практическая конференция студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации»: Тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 107 - 108.

5. Чернов A.B. Влияние динамической составляющей нагрузки на изменение угла опрокидывания грузоподъемного крана // XII Московская международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» Материалы конференции. М.: МГСУ, 2008. - С.75.

6. Чернов A.B. Контроль грузовой устойчивости мобильных грузоподъемных машин // Одиннадцатая Московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» тезисы докладов. М.: МИИТ, 2007. -С.бб.

7. Чернов A.B. Выше, сильней, устойчивей // Технадзор. - 2010. - №4 (41). С, 84-85.

8. Чернов A.B. Исследование механизма возникновения дополнительных опрокидывающих возмущений при повороте крана с грузом // Строительные дорожные машины. - 2010. - №11. С. 48 - 52.

9. Чернов A.B., Сорокин П.А., Редькин A.B. Расчет нагрузок на опоры крана с учетом характеристик упругости рамы, опорных элементов и грунта // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 2. 4.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. с. 117 -122.

Ю.Чернов A.B., Сорокин П.А., Жильцов A.B. Установка для моделирования процесса поворота стрелы крана с грузом // Подъемно-транспортное дело. - 2011. - №3(63). С. 10 -14.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 13.12.2011. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,9. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 065. Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

61 12-5/1360

ФГБОУ ВПО

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чернов Александр Викторович

УСТОЙЧИВОСТЬ СТРЕЛОВОГО САМОХОДНОГО КРАНА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОЧИХ ОПЕРАЦИЙ

Специальность 05.02.13. «Машины, агрегаты и процессы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сорокин П.А.

Тула, 2011г

Содержание

Введение...............................................................................................................4

1 Обзор исследований в области устойчивости стреловых кранов.................10

1.1 Анализ предшествующих исследований устойчивости кранов против опрокидывания................................................................................................10

1.2 Аспекты динамической устойчивости свободностоящих кранов..........14

1.3 Неустановившееся движение....................................................................19

1.4 Состояние вопроса на данный момент.....................................................21

2 Исследование механизма возникновения дополнительных опрокидывающих возмущений при повороте крана с подвешенным грузом 30

2.1 Расчетная схема для определения динамических нагрузок при первом этапе поворотного движения..........................................................................32

2.2 Расчетная схема для определения динамических нагрузок при втором этапе поворотного движения..........................................................................39

2.3 Расчетная схема для определения динамических нагрузок при третьем этапе поворотного движения..........................................................................45

2.4 Расчет нагрузок на опоры крана с учетом характеристик упругости рамы, опорных элементов и грунта................................................................50

2.5 Расчет дополнительных усилий при подъеме/опускании груза во время перемещения стрелы.......................................................................................57

3 Эксперимент для определения значений превышения нагрузки вследствие

действия динамических нагрузок в процессе поворота...................................61

3.1 Исходные данные......................................................................................61

3.2 Описание физической модели..................................................................66

3.3 Задание параметров частотному преобразователю.................................71

3.4 Результаты эксперимента.........................................................................72

3.5 Анализ полученных результатов..............................................................76

3.6 Сопоставление данных эксперимента с реальной моделью...................79

3.7 Эксперимент для определения степени влияния факторов параметров движения стрелы с грузом Исходные данные...............................................82

3.8 Результаты эксперимента.........................................................................83

3.9 Обработка результатов эксперимента......................................................90

3.10 Проверка адекватности модели..............................................................98

3.11 Сравнительный анализ систем расчетов..............................................100

4. Способ управления грузоподъемным краном............................................109

Основные результаты и выводы......................................................................116

Библиографический список.............................................................................118

Введение

Актуальность темы.

Грузоподъемные операции являются неотъемлемой частью многих видов производства во всех отраслях промышленности. Их выполнение часто занимает большую часть рабочего времени и в значительной степени влияет на общую производительность.

Операции управления и контроля осуществляются, как правило, машинистом на основе визуального наблюдения за перемещением груза и показаний индикационных устройств. Возможности повышения производительности стреловых самоходных кранов (ССК), в основном определяемой грузоподъемностью и скоростью перемещения груза, при таком способе управления незначительны.

В процессе выполнения рабочих операций машинист должен получать сведения о текущем положении рабочих органов крана и груза, нагрузки на опоры, положении опорного контура, состоянии электро- и гидросистем, а также информацию от ограничителей нагрузки и рабочей зоны крана. Исходя из этого, он должен принимать решения о приведении в действие и поддержании определенных режимов различных механизмов крана. Оптимизация грузоподъемных операций предполагает, в первую очередь, сокращение рабочего цикла за счет минимизации продолжительности периодов разгона и торможения и увеличения скорости в установившемся режиме, стабилизацию положения груза благодаря уменьшению амплитуды его колебаний. При этом необходим постоянный контроль выполнения условий безопасности и точности позиционирования.

Выполнение такого объема функций возможно с помощью бортовой микропроцессорной системы, связанной с датчиками, вырабатывающей на основе их показаний сигналы управления исполнительными механизмами ССК и отображающей информацию на индикационной панели.

Сохранение устойчивости ССК является важнейшим условием при разработке систем управления их рабочими операциями [2]-[5]. Это связано,

4

во-первых, с тем, что около половины всех аварий ССК связаны с опрокидыванием, во-вторых, с тем, что потеря устойчивости приводит, как правило, к разрушению самого крана без возможности его дальнейшего восстановления и эксплуатации и возможным вторичным разрушениям и человеческим жертвам. Причины потери устойчивости могут быть самыми разнообразными, но так или иначе они связаны с превышением опрокидывающего момента над удерживающим вследствие перегрузок, возникающих на рабочем органе. И в подавляющем большинстве случаев эти перегрузки возникают в момент переходных процессов, то есть в результате динамических нагрузок. Опрокидывание вследствие превышения допустимой массы груза предотвращается (при соблюдении правил безопасной эксплуатации) даже самыми простейшими механическими ограничителями грузоподъемности. Наиболее сложной задачей машиниста является обеспечение плавности пуска и торможения рабочих механизмов ССК. Таким образом, при синтезе систем управления основной задачей является предупреждение динамических перегрузок, превышающих допустимые значения, определяемые текущими параметрами ССК, влияющими на устойчивость (длина стрелы, угол наклона и поворота, длина свободного конца каната и т.п.).

Применение современных технологий при создании системы автоматической защиты ССК могут позволить избежать их перегрузки и опрокидывания, осуществить допустимые траекторные перемещения стрелы в стесненных условиях, контроль и учет производимой работы, обобщенную оценку ее эффективности и остаточного технического ресурса крана, контроль предаварийного состояния и т. п.

Средства защиты, обеспечивающие безопасность ведения работ, рассматриваются к тому же и как устройства с повышенными информационными свойствами, позволяющие крановщику ориентироваться в окружающей обстановке, избежать аварии, повреждения груза и

конструкций, расположенных вблизи объекта. Текущее нагружение стрелы крана определяется зависимостью между ее вылетом и нагрузкой.

Все системы защиты построены на принципе определения степени приближения значения текущего нагружения стрелы крана к некоему предельному значению, приводящему к его опрокидыванию, т. е. работа системы заключается в сравнении фактической нагрузки, представленной сигналом датчика давления или усилия, с данными о допустимой нагрузке, которые заложены в память запоминающего устройства.

В настоящий момент наиболее распространенным устройством, позволяющим контролировать устойчивость установки, является ограничитель грузоподъемности [20], работающий в индикаторном режиме, и не влияющий на управление краном 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 механизма подъема.

Таким образом, актуальной является задача повышения безопасности выполнения погрузочно-разгрузочных работ, на основе применения автоматизированного мониторинга и управления ССК. При этом должны обеспечиваться следующие функции: постоянный контроль параметров крана и внешних факторов, влияющих на устойчивость в период действия сил инерции и дополнительных сил, возникающих при неравномерности восприятия нагрузки опорным контуром; выработка управляющих сигналов на механизмы, обеспечивающие сохранение

устойчивости; адаптация алгоритмов управления к изменяющимся внешним условиям.

Объектом исследования являются стреловые самоходные краны с выдвижной телескопической стрелой, работающие, как правило, на открытом воздухе на неподготовленных площадках с ограниченным рабочим пространством.

Цель работы заключается в повышении устойчивости стреловых самоходных кранов при совершении рабочих операций путем мониторинга и активного управления динамическими нагрузками и величиной опрокидывающего момента.

Задачи исследования:

анализ процесса возникновения динамических нагрузок и определение степени их зависимости от характера совершаемых движений краном при перемещении груза;

- математическое моделирование состояния ССК при совершении рабочих операций с учетом действия сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций краном с подвешенным на стреле грузом;

- экспериментальное определение динамических нагрузок;

- анализ степени влияния режимов работы ССК на изменение величины дополнительных сил инерции при повороте стрелы ССК с грузом;

- разработка способа управления работой ССК для обеспечения устойчивости крана.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории грузовой и собственной устойчивости ССК, а также на элементах теоретической механики и теории подобия. Для проведения расчетов использовалась программная среда Microsoft Excel 2003. При проведении эксперимента использовалось программное обеспечение RSLogix 5 и Drive Executive компании Rockwell Automation.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель состояния ССК при совершении рабочих операций с учетом действия сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций краном с подвешенным на стреле грузом;

- зависимость изменения величины сил инерции при перемещении краном груза от характеристики движения во время работы ССК;

- метод определения опрокидывающего момента, который, в отличие от известного, учитывает действия сил инерции, возникающих при выполнении рабочих операций ССК с подвешенным на стреле грузом;

- способ управления ССК путем контролирования параметров, компенсирующих опрокидывающий момент при совершении рабочих операций.

Научная новизна состоит в том, что впервые учтено действие инерционных нагрузок на различных этапах перемещения груза во время выполнения рабочих операций, на устойчивость ССК и теоретически обоснован способ управления устойчивостью крана, основанный на зависимости силы реакции в канате от этих инерционных нагрузок, а также других нагрузок, передающих опрокидывающий момент ССК через груз и канат.

Достоверность подтверждается корректным использованием элементов теорий грузовой и собственной устойчивости, теоретической механики и теории подобия, адекватностью разработанной модели, подтверждением полученных теоретических результатов данными эксперимента.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный способ позволяет осуществлять мониторинг и активное управление устойчивостью с учетом инерционных нагрузок, приводящих к увеличению значения опрокидывающего момента, сигнализировать об опасной ситуации и корректировать алгоритм перемещения груза без остановки исполнительных механизмов. Разработанный способ управления

устойчивостью может быть использован для создания устройств безопасности и стабилизации опрокидывающего момента не только ССК, но и любых свободностоящих систем, для которых постоянное изменение величины опрокидывающего момента и действующих инерционных нагрузок носит определяющий характер. Учет инерционных нагрузок уточняет оценку опрокидывающего момента до 30%.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Подъемно - транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета (Тула, 2007-2011), на 1-й магистерской научно-технической конференции (Тула, 2006), на I и II молодежных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула 2007, 2009), на XI и XII Московских межвузовских научно-технических конференциях студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные и путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва 2007, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 3 публикации в рецензируемых научных журналах, а также получено положительное решение по заявке на патент РФ № 2010123077/11 (032879) от 05.07.2011. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников, включающего 67 наименований. Работа содержит 125 страниц печатного текста, 48 рисунков и 31 таблицы.

1 Обзор исследований в области устойчивости стреловых

кранов

1.1 Анализ предшествующих исследований устойчивости кранов против опрокидывания

Исследования в области устойчивости против опрокидывания кранов и загруженности механизмов подъема базируются на рассмотрении классических динамических моделей колебательных систем. Исследованиям загруженности механизмов машин посвящены работы многочисленных авторов: Богуславского И.В., Вайнсона A.A., Волкова Д.П., Гохберга М.М., Гладких П.А., Гобермана JI.A., Емельянова Р.Т., Макс Хаака, Васильченко В.А., Зарецкого A.A., Каминского Л.С., Редькина A.B., Федорова И.Г., Васина Б.Г., Рабиновича JI.B. и других.

В работе [41] приведены исследования граничного динамического равновесия крана. В статическом состоянии отрыв внешних опор крана происходит мгновенно. Потеря динамического равновесия ССК, вызывающая отрыв ее внешних опор от основания, не обязательно связана с ее опрокидыванием. Все зависит от изменения движения крана после потери контакта его внешних опор с основанием, и как будет развиваться процесс перехода динамической системы из одного состояния в другое.

Для определения движущей силы приведена зависимость:

Tde-Qc + TU36, (1.1.1)

где Qc - грузоподъемность крана; Тизб - избыточная сила.

7W=<P0ßc> (1Л-2)

здесь ф0 - коэффициент пропорциональности грузоподъемности.

Выражение определяет избыточную силу постоянной, и не учитывает переходных процессов, происходящих при подъеме груза.

Так же приведены основные соотношения для расчета ССК на устойчивость против опрокидывания по предельным состояниям. Угол

наклона крана в плоскости перпендикулярной ребру опрокидывания определяется в виде суммы

Я>(') = Фс(0+Ф</(0» (1Л-3)

где (рс - статическая составляющая угла опрокидывания; (ра - динамическая составляющая угла опрокидывания.

Статическая составляющая угла опрокидывания обусловлена изменением во времени нагрузки на крюке относительно рассматриваемого угла опрокидывания и направления наклона основания.

Фс(0=Л/Ц + х|/), (1.1.4)

где А - случайная амплитуда,

А/(...) - случайная функция, описывающая изменение срс (1) в цикле работы.

Поскольку наряду с (рс изменяется и фа вопрос надо рассматривать с учетом максимальной динамической составляющей. Максимальная динамическая составляющая возникает в случае неблагоприятного сочетания по значению и направлению действия.

Приведено, что в упругой связи каната возникает синусоидальная составляющая амплитуды нагрузки, которая создает наиболее тяжелый нагрузочный режим.

= сово^ + #2 ^ + (1.1.5)

Р

где А2ИВ2 - амплитуды гармоник колебаний, ^г и/? - коэффициенты смещения синусоиды.

Приведена методика расчета устойчивости кранов для статического состояния. Коэффициенты собственной и грузовой устойчивости крана должны быть не менее 1,15 [8], [14], [39], [40].

Коэффициент грузовой устойчивости определяется по зависимости

Мгр

где M¡ -момент (Н м), удерживающий кран от опрокидывания относительно ребра.

М\ = + jcos OL-hym sin aj, (1.1.7)

где а - угол наклона местности, град.

М/ - опрокидывающий момент (Н м) от действия инерционных сил в период неустановившегося движения при времени пуска t = 1с

Ло±±[а_в)> (LL8)

gt

где q - вес крюковой подвески, Н; g - у