Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования ...13
1.1 Анализ тенденций развития мостовых кранов 13
1.2 Обзор и анализ конструкций мостовых кранов 17
1.3 Анализ существующих схем механизмов передвижения моста и грузовой тележки 21
1.4 Обзор предшествующих исследований. Патентно-информационный поиск 24
1.5 Анализ современных систем автоматизации моделирования сложных динамических систем 37
1.6 Компьютерное моделирование при создании основных механизмов мостового крана 39
1.7 Цель и задачи исследования 44
Основные выводы по главе 46
2 Общая методика исследования. структура работы 47
2.1 Общая методика исследования 47
2.2 Методика теоретических исследований 48
2.3 Методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных 51
2.4 Структура работы 55
Основные выводы по главе 57
3 Разработка математической модели сложной динамической системы мостового крана 58
3.1 Выбор и обоснование расчетной схемы мостового крана 58
3.2 Уравнения движения механической подсистемы мостового крана 61
3.3 Имитационная модель механической подсистемы мостового крана 74
Основные выводы по главе 85
4 Теоретические исследования рабочего процесса мостового крана 87
4.1 Обоснование критериев эффективности передвижения грузовой тележки в пространстве конфигураций мостового крана 87
4.2 Алгоритм построения траектории перемещения грузовой тележки в пространстве обобщенных координат 92
4.3 Исследование напряженно-деформированного состояния и динамической нагруженности металлоконструкции мостового крана методом конечных элементов 97
4.3.1 Методика расчета крановой металлоконструкции методом конечных элементов 97
4.3.2 Моделирование динамической нагруженности металлоконструкции мостового крана 100
4.3.3 Выявление зависимостей нормальных напряжений и вертикальных перемещений, возникающих в узлах металлоконструкции крана 108
4.4 Функциональные зависимости основных параметров комплектующих конструктивных устройств механизма передвижения мостового крана 114
Основные выводы по главе 123
5 Инженерные разработки. экспериментальные исследования электрической тали 124
5.1 Объект экспериментальных исследований 124
5.2 План эксперимента и измерительные приборы 126
5.3 Анализ результатов экспериментальных исследований 130
5.4 Анализ результатов статических испытаний модели стальной балки .134
5.5 Методика расчета энергетических характеристик механизма передвижения грузовой тележки (крана) 137
5.6 Рекомендации по инженерной реализации перспективных конструкций мостовых кранов 144
Основные выводы по главе 152
Основные результаты и выводы 153
Приложения
Список литературы
- Анализ существующих схем механизмов передвижения моста и грузовой тележки
- Методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных
- Имитационная модель механической подсистемы мостового крана
- Исследование напряженно-деформированного состояния и динамической нагруженности металлоконструкции мостового крана методом конечных элементов
Анализ существующих схем механизмов передвижения моста и грузовой тележки
Современные поточные технологические и автоматизированные линии, межцеховой и внутрицеховой транспорт, погрузочно-разгрузочные операции на складах и перевалочных пунктах строительных предприятий органически связаны с применением разнообразных ГПМ и механизмов, обеспечивающих непрерывность и ритмичность производственных процессов [53]. Поэтому применение данных видов оборудования во многом определяет эффективность современного строительного производства, а уровень его механизации – степень совершенства и производительность предприятия. С помощью грузоподъемных кранов достигаются высокие темпы и индустриальность производства строительно-монтажных работ. Объектами применения таких машин являются практически все строительные площадки и пункты грузопереработки.
Кранами называются грузоподъемные устройства, служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов на небольшие расстояния. Грузоподъемные краны относятся к машинам циклического действия, так как их рабочий процесс состоит из отдельных чередующихся циклов, включающих рабочие и вспомогательные периоды. По особенностям конструкций, связанным с назначением и условиями работы, краны разделяются на мостовые, портальные, козловые, башенные и др. [46, 97].
В цехах предприятий стройиндустрии наибольшее распространение получили мостовые краны, с помощью которых производится подъем и опускание тяжелых заготовок, деталей и узлов строительных конструкций, а также их перемещение вдоль и поперек цеха. Современный мостовой кран представляет собой сложную конструкцию, механизмы которой рассчитаны на три основные функции: передвижение тележки, подъем груза, передвижение опорного моста (основная платформа, по которой передвигается тележка с грузоподъемным механизмом). Вид мостового крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией, многие узлы кранового оборудования, например, механизмы подъема и передвижения, основываются на использовании блочных конструкций, позволяющих получить не только высокий технико-экономический эффект при их изготовлении, но и создающих максимум удобств при эксплуатации.
В России и ближнем зарубежье мостовые грузоподъемные краны выпускаются на следующих предприятиях: ООО «Сибкранэкс» (г. Москва), ОАО «Красногвардейский крановый» (Свердловская обл., п. Красногвардейский), ОАО «Магнитогорский крановый завод» (Челябинская обл., г. Магнитогорск), ОАО Бурейский крановый завод «Бурея-кран» (Амурская обл., п. Новобурейский), ОАО ВО «Русский крановый завод» (Алтайский край, г. Барнаул), Самарский крановый завод (г. Самара), Уральский крановый завод (г. Челябинск), ОАО «Урюпинский крановый завод» (Волгоградская обл., г. Урюпинск), ОАО «Лемменс – Троицкий крановый завод» (Московская обл., п. Минзаг), ОАО «Набережночелнинский крановый завод» (Республика Татарстан, г. Набережные Челны), ООО «Ленинградский крановый завод - АСК» (г. Санкт-Петербург, п. Стрельна), ООО «Сухоложский крановый завод - Уралкран» (Свердловская обл., г. Сухой Лог), ООО «Уфимский краностроительный завод» (Республика Татарстан, г. Уфа), ООО «Уральская подъемно-транспортная компания» (Свердловская обл., Артемовский район, п. Красногвардейский), АООТ «НПО ВПТИ Тяжмаш» (г. Москва), Завод ПТО имени С.М. Кирова, Подъёмтрансмаш (г. Санкт-Петербург), ОАО «149 механический завод» (г. Москва), «ОМЗ-КРАН» (г. Москва), ЗАО «Объединенные заводы подъемно-транспортного оборудования» (Свердловская обл., р.п. Пышма), ОАО Гороховецкий завод ПТО "Элеватормельмаш" (Владимирская обл., г. Гороховец), «Комсомольский-на-Амуре завод подъемно-транспортного оборудования» (Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре), Акционерная компания «Балткран» (г. Калининград), АО «Сибтяжмаш» (Красноярский край, г. Красноярск), ООО «Бываловский машиностроительный завод» (Вологодская обл., г. Вологда), ОАО Донской завод «Стройтехника» (Тульская обл., г. Донской), ООО «Харьковский завод подъемно-транспортного оборудования» (Украина, Харьковская обл., г. Харьков), ПАО «Новокраматорский машиностроительный завод» (Украина, Донецкая обл., г. Краматорск).
Большим спросом пользуются также краны зарубежного производства: Stahl CraneSystems GmbH (Германия), Demag Cranes&Components GmbH (Германия), SWF Krantechnik GmbH (Германия), Bonfanti crane (Италия), KITO CRANES (Канада), J. Barnsley Cranes Limited (Великобритания), «Балканско ЕХО» ЕООД (Болгария), Austrian Crane Systems (Австрия), Ralf Teichmann, GmbH (Германия), Mechanik Taucha Foerdertechnik GmbH (Германия), Teichmann-Krane (Германия), Brunnhuber Krane GmbH (Германия), Konecranes (Финляндия), Verlinde (Франция).
Конструкции мостовых кранов постоянно совершенствуются и развиваются. Непрерывное совершенствование мостовых кранов необходимо с целью повышения производительности выполняемых работ, безопасности и комфортабельности эксплуатации, снижения энергетических затрат.
Для снижения массы кранов и повышения технологичности изготовления создаются новые прогрессивные конструкции мостов кранов: основные балки мостов выполняются двухстенными, но со стенками разной толщины, с размещением подтележечного рельса над внутренней, более толстой стенкой, что позволяет уменьшить колею тележки, сделать тонкую стенку с проемами и разместить в балках электроаппаратуру крана; расширяется применение трубчатых и штампованных профилей, а в ряде случаев и легких металлов; повышается качество применяемых материалов и совершенствуется технология производства деталей [24].
Необходимо отметить, что современное краностроение характеризуется совершенствованием конструкций, применением новых материалов, методов и средств изготовления, внедрением более совершенных методов расчета. Большое внимание уделяется вопросам стандартизации, унификации и качеству кранов.
Современные ПТМ характеризуются широким диапазоном грузоподъемности, габаритов обслуживаемых площадей, высокой производительностью. Базовыми направлениями развития подъемно-транспортного оборудования являются совершенствование приводов машин и механизмов, направленное на расширение диапазона регулирования скоростей, повышение их КПД и надежности, разработка новых конструктивных решений [81]. Еще одним из основных направлений развития подъемно-транспортного машиностроения являются создание качественно новых видов ПТМ и механизмов, а также повышение грузоподъемности и надежности машин при одновременном значительном снижении их металлоемкости. по развити етодов расчета кранов и авто атизации процессов их тенденции развития современного краностроения, следует от етить, а так е
Развитие мостовых грузоподъемных кранов характеризуется дальнейшим совершенствованием конструкций, направленным на увеличение грузоподъемности кранов; улучшение удельных показателей (снижением металлоемкости, энергозатрат, стоимости, трудоемкости); интенсификацию рабочего цикла (выбором рациональных рабочих скоростей, применением автоматических систем управления); усовершенствование привода (путем применения блочно-модульных конструкций привода); увеличение срока службы машин (путем повышения надежности отдельных узлов, систем и применения информационно-диагностических систем с использованием микропроцессоров); улучшение эргономических показателей кранов. Важным направлением являются
Методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных
В диссертационной работе мостовой грузоподъемный кран рассматривается как сложная динамическая система, состоящая из механизмов и приводов, несущей металлоконструкции, а также строительной части здания, в которой работает кран. Сложность динамических процессов состоит в том, что при передвижении тележки по рельсовому пути происходят колебания балочной металлоконструкции крана, крутильные колебания трансмиссии механизма передвижения, маятниковые колебания подвешенного на канатах груза, а также медленные поперечные и вращательные движения моста крана, при которых происходит упругое скольжение ходовых колес тележки по рельсам.
Сложная динамическая система мостового крана меняет свое поведение во времени под воздействием внешних и внутренних возмущений. Внутренними динамическими воздействиями являются сила и момент, развиваемые двигателем машины. Внешними воздействиями на металлоконструкцию являются сила инерции при подъеме груза, силы сопротивления подъему и передвижению тележки. При подъеме груза, передвижении моста и тележки силовое воздействие от двигателя или тормоза передается на металлоконструкцию через систему приводов механизма, жесткость которых превышает жесткость металлоконструкции.
Анализ динамических процессов в кранах и их механизмах в общем виде сложен, т.к. колеблющаяся система крана состоит из большого числа масс и упругих элементов, а характер развития процесса зависит еще и от начальных условий [142].
В данной диссертационной работе в качестве общей методики исследований использовался системный подход. Именно он является общепринятым направлением методологии научных исследований.
Системный подход предусматривает комплексный метод проведения исследований, содержащий как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. В результате теоретических исследований устанавливаются закономерности функционирования отдельных подсистем и всей системы в целом. В работе теоретические исследования проводились методами имитационного и математического моделирования. К задачам экспериментальных исследований относятся: подтверждение адекватности математической модели; определение численных значений параметров, входящих в математическую модель; проверка работоспособности конструкторских разработок; определение эффективности предложенных технических решений.
Применение системного подхода совместно с моделированием позволяет в доступной для анализа форме отразить существенные и интересующие свойства системы, а также использовать ПК для исследования поведения системы в конкретных заданных условиях. Решение задач с применением методологии системного анализа было проведено в соответствии со следующими этапами [142]:
1. Постановка задачи – определяются объект и предмет исследования, цели и задачи, а также критерии для изучения объекта;
2. Анализ решаемой задачи – определяется структура исследуемой системы; выделяются отдельные составляющие части системы и определяются связи между ними; составляется математическая модель системы в целом;
3. Решение поставленной задачи – исследуется полученная математическая модель; определяются функциональные зависимости между параметрами системы.
Основу теоретических исследований данной работы составляет математическое моделирование, позволяющее решать задачи проектирования мостовых кранов, а также исследовать динамические процессы, возникающие при их работе. Теоретические исследования основываются на математической модели, которая с достаточной степенью точности отражает исследуемые свойства объекта. Подобные теоретические исследования называются вычислительным экспериментом. Данный способ обладает рядом преимуществ перед натурными испытаниями [66]:
Математическое моделирование динамической системы осуществляется на ПК путем решения системы дифференциальных уравнений численным методом с использованием программы Maplesoft Maple 9.5 [48]. Имитационное моделирование системы, т.е. моделирование основных динамических характеристик мостового крана при передвижении грузовой тележки было проведено в программном продукте SolidWorks [4, 151] с применением пакета SolidWorks Motion. Прикладной модуль SolidWorks Motion, предназначенный для кинематического и динамического анализа проектируемых механизмов, имеет преимущества: – Передача результатов динамического анализа – сил в сопряжениях и инерционных нагрузок – в модуль SolidWorks Simulation для анализа НДС деталей.
С целью последующего использования результатов динамического анализа для прочностного расчета несущей металлоконструкции мостового крана применялся модуль SolidWorks Simulation. Приложение SolidWorks Simulation выполняет прочностные статические и динамические исследования (линейные и нелинейные) на основе МКЭ. Создание исследований и выполнение расчётов происходило непосредственно в среде программного комплекса SolidWorks на основе собственных моделей SolidWorks, а также деталей и сборок произвольной импортированной геометрии.
Для составления уравнений движения динамической расчетной схемы использовался метод уравнений Лагранжа второго рода. Он применим для решения широкого круга задач динамики, и позволяет получить численные алгоритмы моделирования движения сложных систем [9, 63, 64, 127, 132, 133]: перемещения; q, координата скорости; Fj - обобщенная сила, позволяет решить задачи динамики, кинем ы и статики. Таким образом, была составлена система дифферент— уравнений с переменными коэффициент являющаяся математической моделью моєК крана для уравнений представляют :і Zrтележки.«:::;мы імической системы, что дает большую наглядность при анализе получі 51
Принятый в настоящей работе комплексный метод исследований предполагает проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований. Обычно процесс экспериментирования включает такие этапы, как постановка задачи, априорный анализ, эксперимент, интерпретация результатов [117]. В каждый из этих этапов входит такой необходимый шаг, как принятие решений.
Важнейшим условием правомерности выводов, полученных при исследовании на математической модели, является ее способность отображать с необходимой точностью характеристики исследуемого процесса или объекта при изменении его параметров и внешних воздействий, то есть адекватность математической модели исследуемому объекту.
Имитационная модель механической подсистемы мостового крана
В качестве инструмента построения имитационной модели механической подсистемы мостового крана был выбран программный продукт SolidWorks. Выбор обусловлен широкими функциональными возможностями пакета, а также наличием соответствующих сертификатов, подтверждающих качество данного продукта. SolidWorks обеспечивает сквозную автоматизированную поддержку процесса проектирования, включая геометрическое моделирование, экспресс-анализ прочности деталей и кинематики механизмов на этапе конструкторской проработки [4, 151]. Эта одна из самых популярных систем параметрического моделирования, твердотельного и поверхностного.
Трехмерная твердотельная модель мостового крана грузоподъемностью 20/5 т пролетом 22,5 м, разработанная в программном комплексе SolidWorks, представлена на рисунке 3.5 [74]. Размеры модели выполнены в соответствии с документацией на кран.
Для создания трехмерной модели мостового крана использовался метод проектирования снизу вверх. Процесс моделирования начинался с выбора конструктивной плоскости, в которой был построен двухмерный эскиз детали. Впоследствии этот эскиз был преобразован в твердое тело. Все детали 5 создавались отдельно друг от друга. Далее производилась сборка мостового крана из созданных деталей. Сборка компонентов осуществлялась при помощи сопряжений, ограничивающих их степень свободы. При этом модель имеет центр тяжести, а также обладает массой и объемом [74].
Используя встроенную функцию расчета МЦХ, получены данные о координатах центров тяжести и моментах инерции элементов, входящих в модель. Пример отображаемой информации МЦХ крана показан на рисунке 3.6.
Мостовой кран представлен системой связанных тел с заданными инерционными параметрами. Тела соединены друг с другом с помощью различного рода шарниров, которые, в свою очередь, задают полож возможные перемещения тел. Металлоконструкция моста представляет раму, образованную главными и концевыми балками. К раме неподвижно крепятся кабина и площадка для обслуживания цеховых троллеев. Грузовая тележка имеет одну степень свободы относительно рамы и может перемещаться вдоль пролета между концевыми балками. Груз представляет собой физический маятник, который может совершать пространственные колебания относительно крепления каната к тележке [74]. 6
В данной работе моделирование основных динамических характеристик мостового крана при передвижении грузовой тележки осуществлялось в приложении SolidWorks Motion программы SolidWorks. Источником информации для программы является модель сборки в SolidWorks. Данное расширение предназначено для математического моделирования движений систем твердых тел на основе законов теоретической механики. SolidWorks Motion позволяет решать задачи статики, кинематики и динамики многозвенных механических систем [151]. Программа анализирует сборку SolidWorks, транслируя ее в условную модель механизма с учетом МЦХ деталей. При этом инерционные параметры заимствуются из геометрии деталей SolidWorks, а плотность (масса) может быть назначена независимо от геометрической оболочки. Модуль SolidWorks Motion автоматически преобразует структурную схему механической подсистемы в систему дифференциальных уравнений движения. На выбор предлагается несколько способов решения дифференциальных уравнений. После этого программа преобразует численные результаты в вид, пригодный для отображения [151]. Данная программа используется для исследования динамических процессов мостового крана, а также для оптимального подбора его динамических характеристик.
При моделировании механической подсистемы крана использовалось меню Joints. Блоки Joints служат для организации различного рода сочленений между отдельными частями механизма. При создании соединений указывались детали, места приложения соединений и направления. механической подсистемы мостового крана необходима визуализация результатов моделирования. Традиционно используется визуализация в виде временных зависимостей исследуемых параметров. Однако, при моделировании пространственных рез ов отрмая анимация. Т визуализации 0 пространственных перемещений незаменим для механической подсистемы, которая обладает большим количеством степеней свободы. Представление результатов в форме анимации может существенно сократить время, затрачиваемое исследователем для анализа, так как для качественной оценки пространственных движений не требуется сопоставление множества временных зависимостей отдельных координат, описывающих положение звеньев. Но использование анимации не исключает необходимость применения традиционных способов представления результатов [68].
Для получения реалистичной трехмерной анимации модели механической подсистемы в настройках визуализации геометрии тел используются внешние графические файлы. Наглядное представление движения грузовой тележки получено с помощью встроенной функции Play визуализации, что позволяет быстрее замечать ошибки при анализе системы (рисунок 3.9).
С помощью составленной модели можно получать любые переходные процессы. В результате моделирования получены основные динамические характеристики, возникающие при передвижении грузовой тележки мостового крана (рисунок 3.10 – 3.12) [74].
Для использования полученной математической модели в дальнейших исследованиях требуется провести проверку ее адекватности на основании реального эксперимента, что рассмотрено в подразделе 5.3.
В результате получены основные динамические характеристики, такие как перемещения, скорости, ускорения, время разгона. При этом программа позволяет выполнить модифицирование конструкции путем изменения различных параметров системы. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что переходные динамические процессы в механизме передвижения грузовой тележки приводят к появлению аналогичных процессов в металлоконструкции крана.
Исследование напряженно-деформированного состояния и динамической нагруженности металлоконструкции мостового крана методом конечных элементов
Для работы в среде проектирования используется виртуальная (3D-модель) модель мостового крана, выполненная в среде SolidWorks Simulation 2014. Модель металлоконструкции крана была создана в соответствии со сборочными и деталировочными чертежами в полной сборке.
Моделирование процесса работы крана производилось для нескольких траекторий перемещения грузовой тележки. Для каждого цикла работы в характерных точках траектории последовательно производились расчёты напряжений с учётом текущих положений всех элементов крановой металлоконструкции по всем комбинациям нагрузок (таблица 4.2). В результате получен массив значений напряжений, характеризующих процесс эксплуатационного циклического нагружения [75].
Металлоконструкция моста представляет собой раму, образованную главными и концевыми балками. В качестве типовых конечных элементов при создании, как отдельных частей, так и всей модели моста, использовались пластинчатые (оболочечные) конечные элементы. Дискретизация объема, занимаемого телом, производилась на тетраэдры с гранями, аппроксимируемыми линейными или параболическими функциями координат. Связи между элементами конструкции моделировались как жесткие (сварные соединения), накладывающиеся на центры тяжестей сечений соответствующих элементов [75].
Приложение нагрузок проводилось путем создания нагружений, каждое из которых отвечало за тот или иной силовой фактор. Все нагрузки прикладывались в глобальной системе координат расчетной модели. (торможение) движения в 2 Кран неподвижен. Разгон (торможение) движения грузовой тележки. Тележка в крайнем положении вблизи концевой балки (Х/4). - собственный вес моста;- собственный вес тележки;- динамическая нагрузка от веса тележки при еедвижении по неровностям пути с учетомкоэффициента толчков у/= 0;- вес груза QOCH с коэффициентом перегрузки e=1,1.
При моделировании нагружения металлоконструкции крана нагрузка от веса грузовой тележки с поднимаемым грузом прикладывалась в четырех точках, моделирующих ролики тележки. Данная нагрузка являлась сосредоточенной силой в соответствующих узлах. В расчете также учитывался собственный вес конструкции. Учет веса конструкции системой SolidWorks производится автоматически. При этом предполагалось, что сила тяжести направлена противоположно оси глобальной системы координат, а ускорение свободного падения равно 9,8 м/с2. Пролетная балка рассматривалась по схеме балки на двух шарнирных опорах. Одна опора считалась шарнирно-неподвижной, другая – шарнирно-подвижной. На рисунках 4.5, 4.6 соответственно приведены схема нагружения моста и граничные условия, накладываемые на металлоконструкцию крана [75].
В исследуемой модели металлоконструкции были учтены параметры материала, из которого она изготовлена. Применялась сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества марки Ст3сп по ГОСТ 14637-89 [38]. Материал несущей металлоконструкции моделировался изотропной средой. Были следующие характеристики материала [112]: предел текучести (тт= 220 МПа; модуль упругости E = 2,1-1011 Па; коэффициент Пуассона „-Vы _ П.7850 кг/м3. Свойства заданы для отдельных групп
На основе базовой геометрической модели построена конечно-элементная сетка (сеточная модель), состоящая из 93965 элементов и 180783 узлов (рисунок 4.7). Перед созданием сетки задавалась густота разбивки на сложных участках геометрической модели. Построенная сетка проверялась на наличие дефектов, при необходимости проводилась ее ручная доработка [75].
Ниже приведены результаты расчета напряжений, перемещений и деформаций, действующих в характерных точках несущей металлоконструкции мостового крана, с использованием разработанной конечно-элементной модели. На рисунках 4.8 – 4.10 представлены результаты расчета для первого и третьего вариантов сочетания нагрузок.
При этом максимальные расчетные напряжения в элементах главной балки при действии испытательной нагрузки не превышали 124,8 МПа. Максимальный прогиб в середине пролета крана при подъеме номинального груза (без учета собственного веса моста) составил 23,271 мм. Вертикальный предельный прогиб пролетной балки регламентируется нормами ОСТ 24.090.72-83 «Нормы расчета стальных конструкций мостовых и козловых кранов» [104]. Согласно указанным нормам, величина прогиба балки, определенного при действии постоянных нагрузок, не должна превышать 1/600 пролета балки, и быть не более 37,5 мм. Таким образом, жесткость главной балки обеспечивается. 6 расчетов для второго случая На рисунках 4.11 – 4.13 приведены результаты сочетания нагрузок. По результатам расчета максимальные напряжения элементах металлической конструкции крана не превышали 100,7 МПа.
Результатом статического расчета также является коэффициент прочности, равный отношению предельной нагрузки, вызывающей прочности элемента, к нагрузке, создающей допускаемое напряжение. В данном исследовании минимальный коэффициент запаса прочности составил 2,2 (рисунок 4.14).