Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния темы крановых путей 11
1.1 Типы и конструктивные особенности кранов лесопромышленного комплекса 12
1.2 Анализ конструктивных решений наземных крановых путей 15
1.3 Разработка классификации крановых путей 19
1.4 Систематизация нормативных данных по проектированию 21
1.5 Анализ эксплуатационных характеристик
1.5.1 Опыт результатов эксплуатации крановых путей российского лесопромышленного комплекса 23
1.5.2 Зарубежный опыт эксплуатации крановых путей 26
1.5.3 Факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики элементов крановых путей 1.6 Анализ методов контроля технического состояния 32
1.7 Разработка терминологического аппарата по теме крановых путей 35
1.8 Обзор исследований в области совершенствования конструкций и методов расчета крановых путей 38
1.9 Применение нечеткого моделирования в лесопромышленном комплексе 41
1.10 Выводы по первой главе 50
Глава 2. Разработка конструкции кранового пути 51
2.1 Конструктивное решение кранового пути 52
2.2 Технология выполнения строительных работ по устройству кранового пути 53
2.3 Расчетная схема и методика расчета параметров крановых путей на основании прогибов 58
2.3.1 Обоснование исходных теоретических данных
2.3.2 Схема расчета кранового пути на жесткость 63
2.4 Выводы по второй главе 65
Глава 3. Разработка методики оценки прогибов кранового пути на основе нечеткого моделирования 66
3.1 Общие положения 66
3.2 Выполнение содержательной постановки задачи 66
3.3 Практическая реализация задачи нечеткого вывода 69
3.3.1 Определение функции принадлежности первой входной величины 67
3.3.2 Расчет параметров входных переменных 70
3.3.3 Определение функции принадлежности второй входной величины 71
3.3.4 Определение функции принадлежности выходной величины 72
3.4 Формализация задачи нечеткого вывода 73
3.4.1 Формирование базы правил нечеткого вывода 74
3.4.2 Синтез нечеткой модели зависимости
упругих прогибов крановых путей 77
3.5 Выводы по третьей главе 81
Глава 4. Экспериментальные исследования 82
4.1 Цель и задачи исследований 82
4.2 Геодезическая съемка высотных отметок головок рельсов в горизонтальной плоскости без нагрузки 84
4.2.1 Оценка погрешности экспериментальных данных определения параметра разности высотных отметок головок рельсов 86
4.3 Экспериментальные исследования параметра упругого прогиба кранового пути 90
4.3.1 Измерение упругого прогиба 90
4.4 Проверка адекватности модели нечеткого вывода параметра упругого прогиба 92
4.4.1 Численные эксперименты 92
4.5 Оценка технического состояния кранового пути на основе частотного анализа
4.5.1 Частотный анализ экспериментальных данных геодезической съемки рельсовой нити под нагрузкой с шагом 5 м 96
4.5.2 Геодезическая съемка рельсовой нити под нагрузкой с шагом 0,1 м 99
4.5.3 Частотный анализ экспериментальных данных геодезической съемки рельсовой нити под нагрузкой с шагом 0,1 м 100
4.6 Выводы по четвертой главе 103
Глава 5. Расчет экономического эффекта от внедрения результатов исследований 107
5.1 Расчет затрат на внедрение мероприятий новой техники 102
5.1.1 Расчет стоимости стандартного и нового конструктивного решения кранового пути 102
5.1.2 Расчет затрат на строительство кранового пути
5.1.2.1 Строительство раздельных балластных призм кранового пути из гравия 112
5.1.2.2 Укладка кранового пути 114
5.1.2.3 Транспортные расходы 117
5.1.2.4 Монтаж путевого оборудования кранового пути 123
5.1.2.5 Техническое обслуживание и ремонт кранового пути 1 5.2 Определение срока окупаемости затрат 127
5.3 Выводы по пятой главе 130
6. Заключение 131
Библиографический список
- Анализ конструктивных решений наземных крановых путей
- Расчетная схема и методика расчета параметров крановых путей на основании прогибов
- Определение функции принадлежности первой входной величины
- Экспериментальные исследования параметра упругого прогиба кранового пути
Анализ конструктивных решений наземных крановых путей
Кроме классификации грузоподъемных кранов по конструкции, определены также классификации по виду грузозахватного органа (крюк, грейфер), по способу установки, по виду привода [10,55].Основные типы, размеры и параметры козловых кранов определены стандартом [33].
Цикл работы крана состоит из перемещения грузозахватного органа к грузу, подъема и перемещения груза, освобождения грузозахватного органа, возвращения его в исходное положение.
Срок службы козловых кранов, определение коэффициентов нагружения и использования установлены в стандартах или технических условиях [32,103]. Безопасную работу грузоподъемного крана на всем пути его передвижения должна обеспечивать конструкция наземного кранового пути. Для дальнейших исследований фактического состояния крановых путей в настоящей работе вы 15 полнена систематизация данных по конструктивным решениям, включая отечественный и зарубежный опыт.
В результате анализа конструктивных изменений кранового пути лесопромышленного комплекса (рисунок 1.4), отраженных в справочных изданиях, нормативной документации, определяются следующие основные тенденции.
В «Справочнике по кранам» издания 1971 г. [98] обозначен принцип устройства наземных крановых путей – шпально-балластное основание, железобетонные балки.
В 1988 г. в справочник включено небольшое дополнение – разновидность крановых путей на металлических рамах конструкции ВНИИстройдормаша для башенных кранов [96]. Но эти конструкции не обеспечивали достаточную стабильность ширины рельсовой колеи, а также имели большую массу, что исключило дальнейшее их применение.
В особых случаях при специфических условиях эксплуатации крановые пути сооружаются по специальным проектам. В частности для сейсмоактивных районов применяется анкированный крановый путь (рисунок 1.5), обеспечивающий устойчивость крана и частичное демпфирование его колебаний при сейсмическом воздействии [64]. В существующих стандартах, руководящих документах, правилах в области грузоподъемного оборудования [31,77, 79, 82, 101] прослеживаются изменения по отдельным элементам кранового пути, принципиально конструкция не изменялась. а) а – на деревянных полушпалах [13]; б – на железобетонных балках; в – на железобетонных полушпалах [25]; 1 – направляющая; 2 – опорный элемент; 3 – балластная призма; Вз – ширина земляного полотна; Вбп – ширина балластной призмы; Воп – длина опорного элемента (полушпалы); hб – высота балластной призмы; 1: m – крутизна откоса; hр – высота плеча балластной призмы
При анализе конструктивных решений и систематизации данных по основным элементам строение наземного кранового пути представлено в виде схемы, которая отражает основные принципиальные составляющие (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 – Строение наземного кранового пути
При рассмотрении зарубежных конструктивных решений кранового пути показательным является немецкий опыт, направленный на повышение надежности конструкции. В Германии известно решение, в котором предусматривается увеличение жесткости конструкции применением фундаментного основания (рисунок 1.7). К ленточному фундаменту крепится двутавр с помощью анкерных болтов. Двутавр, в свою очередь, укреплен ребрами жесткости трапециевидной формы. Высокая жесткость конструкции достигается за счет элементов верхнего строения кранового пути и сплошного подрельсового основания. Прочность конструкции обеспечивается применением анкерных соединений и контрольного стержня.
Таким образом, совершенствование надежности конструкций крановых путей прослеживается по увеличению прочности и жесткости опорных элементов. 1 – широкая рельефная балка; 2 – рельс; 3 – соединение рельс; 4 – установка рельс; 5 – соединение балки; 6 – подпорка для балки (ленточный фундамент); 7 – контрольный стержень; 8 – анкерное крепление
При разработке классификации крановых путей следует учесть существующие стандарты [32, 35, 79, 80, 82,101] в области грузоподъемного оборудования. За классификационные признаки крановых путей в настоящей работе приняты точность и интенсивность их нагружения (рисунок 1.8,а,б).
Класс точности кранового пути устанавливается в зависимости от скорости передвижения крана и времени работы механизма передвижения крана в год. Время работы механизма передвижения крана в год [35] определяется согласно сочетанию режимов работы крана и механизма передвижения, а также на основе данных проекта производства работ. Сочетание режимов работы кранов принимается на основе паспортных данных в соответствии с требованиями стандартов [32, 35]. В случае изготовления крана по специальному проекту время работы механизма передвижения устанавливается на основе расчета.
Расчетная схема и методика расчета параметров крановых путей на основании прогибов
После уплотнения щебеночного слоя [101] производится укладка железобетонных плит (позиция 1), в которых имеются два отверстия для винтовых свай серии G3 66650 [6] (позиция 9) и два анкерных болта (позиция 10) [99] для крепления металлической шпалы (позиция 2) и прижимных планок (позиция 5) [99] (см. рисунок 2.3). Согласно нормативного документа [92], класс бетона принимается не ниже В25. Размеры железобетонной плиты: длина 1 400 мм, ширина 500 мм, толщина 200 мм.
На железобетонную плиту устанавливается металлическая шпала (позиция 2) [29] с соответствующими отверстиями для анкерного болта (позиция 10), винтовых свай (позиция 9), металлических пластин (позиция 8)[29] и прижимных планок (позиция 5) (см. рисунок 2.3). Размеры металлической шпалы: длина 1 400 мм, ширина 350 мм, толщина 50 мм.
Рельс Р65-Т1-М76Т-12,5-3/2 ГОСТ 51685-2000 [38] (позиция 3) крепится к металлической шпале (позиция 2) с помощью прижимных планок (позиция 5) и анкерного болта (позиция 10), который, в свою очередь, соединяет железобетонную плиту (позиция 1), металлическую шпалу (позиция 2) и прижимную планку (позиция 5). Под рельс укладывается подкладка из резинокорда (позиция 4) [12].
Повышение устойчивости и прочности конструкции достигается также применением ребра жесткости (позиция 7) [29], привариваемого к металлической пластине (позиция 8), которая крепится к металлической шпале (позиция 2) с помощью болтовых соединений (см. рисунок 2.3). Овальные отверстия в металлической пластине (позиция 8) позволяют регулировать плотность примыкания ребра жесткости к рельсовой нити.
Соединение рельсов производится с помощью стыковых скреплений (позиция 6) с четырьмя отверстиями [101].
В предлагаемом конструктивном решении кранового пути винтовые сваи (см. рисунок 2.3, позиция 9) являются основным несущим элементом кранового пути, взаимодействующим с грунтом основания. Имеющие высокий уровень прочностных параметров винтовые сваи должны значительно повысить устойчивость крановых путей.
Разработка нового конструктивного решения крановых путей для лесопро мышленного комплекса с более высокими техническими характеристиками, в частности за счет использования конструктивных элементов с более высоким параметром жесткости, позволят обеспечить промышленную безопасность опасных производственных объектов с крановой нагрузкой и снизить трудо-мкость технического обслуживания. В конструктивном решении (см. рисунки 2.2, 2.3) элементы кранового пути выполняют следующие функции: металлическая шпала – балка на упругих опорах (винтовых сваях); рельс – балка бесконечной длины на отдельных упругих опорах, прижимные планки – упругое регулируемое промежуточное скрепление.
Изготовление крановых путей с использованием регулируемых упругих соединений позволяет достигнуть максимальной эффективности при монтаже и эксплуатации крановых путей и кранов.
В качестве преимуществ новой конструкции пути также можно отметить возможность полного демонтажа пути и переноса его на другое место с разборкой элементов и выкручиванием винтовых свай.
Конструкция крановых путей представляет собой инженерное сооружение, которое воспринимает нагрузку в зависимости от условий эксплуатации. Под условиями эксплуатации понимаются статические и динамические нагрузки.
Вся конструктивная система должна обеспечить необходимую расчетную жесткость, т. е. способность конструкции сопротивляться образованию недопустимых деформаций под воздействием внешних нагрузок. Для объективного изучения влияния нагрузок на крановые пути необходимо выполнить оценку жесткости конструкции согласно выбранной расчетной схеме. 2.3 Расчетная схема и методика расчета параметров крановых путей на основании прогибов
Под жесткостью понимается способность тела или конструкции сопротивляться деформациям и определяется как отношение нагрузки к вызываемому этой нагрузкой перемещению. Влияние жесткости на эксплуатационные характеристики кранового пути обусловливается динамической жесткостью упругой системы. В настоящее время расчеты жесткости используют при решении следующих практических задач: определение упругих перемещений при анализе различных вариантов конструкций, выборе оптимальных компоновок и параметров упругих систем; оценке условий работы соединений; определении нагрузок, действующих на элементы конструкций в статических неопределимых системах.
Расчеты на жесткость используют для решения широкого круга задач, и их применение является эффективным средством повышения выходных характеристик конструкций.
В расчетной схеме железнодорожного пути рельс рассматривается как балка бесконечной длины неизменного сечения, лежащая на сплошном упругом однородном основании с двухсторонними реакциями. При современных конструкциях пути разница в расчетах по сравнению с расчетами балки на многих упругих точечных опорах не превышает 5…7%. Основной характеристикой для статическо 59 го расчета является связь между упругим прогибом у в каждом сечении и погонным упругим отпором q в том же сечении.
Обычно параметр U определяется экспериментально. Специальными исследованиями установлено оптимальное значение модуля упругости в круглогодичном цикле от 49 до 98 МПа [105]. Для получения оптимального модуля упругости подрельсового основания следует задавать нужные свойства каждому слою. Общий упругий прогиб всех слоев определяется формулой
Определение функции принадлежности первой входной величины
Нормативные документы [77,79,82,101] регламентируют геометрические параметры (отклонения от номинальных размеров) наземных крановых путей и методику измерения этих параметров. Основные требования к параметрам крановых путей изложены в Правилах безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения [77].
пути определять высотные отметки обоих рельсов с шагом 10 м или нужны более тщательные измерения через 5, 2 или даже 1 м Для наземных путей козловых кранов требующими периодического контроля параметрами являются: 1) разность высотных отметок головок рельсов в одном поперечном сечении; 2) разность высотных отметок головок рельсов на длине 10 м. В нормативных документах [77,79,82,101] приводятся методики измерения этих параметров и даются примеры обработки результатов измерений. Достаточно ли для точности оценки параметров? В рассматриваемых руководящих документах есть требование к разметке рельсов через каждые 5 м, которое не является обязательным. Это приводит к тому, что на практике обычно проводят измерения через 10 м (если есть разметка рельсов) или (если разметки нет), ориентируясь по стыкам рельсов, через 12.5 м, считая, что погрешностью такого «небольшого» отступления можно пренебречь [115].
Оценим, как общее количество измеренных отметок рельсов влияет на точность измерения параметров кранового пути. Очевидно, что чем больше отметок рельсов измерить, тем точнее будут полученные результаты.
Найдем участок, где разность отметок рельсов на длине 10 м максимальная. Для этого у каждого рельса рассчитаем с помощью программы Excel разность значений между следующими высотными отметками: 1-11, 2-12, 3-13 и т.д. Максимальное отклонение выявлено на рельсе под жесткой опорой на участках 85-95, 86-96 и составляет 55 мм.
Если рассчитать разность значений между отметками 1-11, 3-13, 5-15 и т.д. (условное проведение геодезической съемки с шагом 2 м, точки 1,3,5 …), то участок 85-95 с максимальным отклонением 55 мм будет обнаружен. Измерения с точки 2 (2,4,6…) при геодезической съемке с шагом 2 м не позволят пропустить участок 86-96, на котором также наблюдается максимальное отклонение значений высотных отметок рельсов.
Проведение геодезической съемки с шагом 5 м определяет следующие выводы. Известны отметки 0, 5, 10….или 1, 6, 11 …(или другие варианты). Расчеты показывают, что величина максимальных отклонений значений высотных отметок рельсов для разных вариантов (зависящих от выбора первой точки отсчета) будет разной – 55, 50, 49 и даже 45 мм. То есть велика вероятность пропустить участок с максимальным отклонением 55 мм (рисунок 4.2).
Естественно, еще ниже точность измерений будет, если мы будем снимать отметки через 10 м. В этом случае в зависимости от выбора первой точки отсчета на длине 10 м получаем значения 55, 50, 49, 45, 42, 35, 31 и 30 мм.
То есть ошибка измерения в самом неблагоприятном случае может составить (55–30/55)100% = 45,5% (таблицы 4.2, 4.3). Таблица 4.2 – Максимальный поперечный уклон в зависимости от интервала измерения
В нормативных документах [79,82,101] подробно рассматривается вопрос определения упругой просадки кранового пути. Приведены нормы на упругую просадку и методика ее измерения. В рекомендуемой форме паспорта кранового пути, в таблице планово-высотных положений рельсовых нитей, предусмотрены измерения высотных отметок рельсов как без нагрузки, так и под нагрузкой. При сдаче нового пути в эксплуатацию упругая просадка кранового пути проверяется обязательно, проверка в процессе эксплуатации не предусмотрена стандартами [80]. Требования по измерению величины параметра упругого прогиба в нормативных документах отсутствуют.
Геодезическая съемка кранового пути производится, как правило, в нена-груженном состоянии. По измеренным высотным отметкам строится вертикальный профиль пути. Этот профиль анализируется и определяются продольные и поперечные уклоны, которые затем сравниваются с допустимыми значениями. Но фактически под действием собственного веса и веса груза кран продавливает грунт и в результате упругого прогиба кранового пути перемещается несколько по иному профилю. Очевидно, разные участки кранового пути имеют разное значение упругого прогиба, поэтому двигающийся кран преодолевает не совсем те уклоны, которые были измерены на ненагруженном пути.
Для решения вопроса «можно ли пренебречь параметром упругого прогиба кранового пути» необходимо сравнить вертикальный профиль пути в нагруженном и ненагруженном состояниях.
Для сравнения вертикального профиля пути в нагруженном и в ненагру-женном состояниях на исследуемом крановом пути были проведены дополнительные измерения. На каждом рельсе с шагом 5 м были еще раз замерены высот 91 ные отметки, только в этом случае рядом с измеряемой отметкой находилась опора (ходовая тележка) крана, при этом номинальный груз находился на консоли со стороны измеряемого рельса.
С учетом, что масса моста крана 51,1 т, масса грузовой тележки 4,9 т, масса грейфера 2,5 т (в сумме 58,5 т), а номинальный груз 10 т, вертикальная нагрузка составляла 145 кН (Приложение Б).
Приведение к условной величине результатов измерения вертикального профиля кранового пути в нагруженном и ненагруженном состояниях, определение разности отметок рельсов под жесткой и гибкой опорой крана представлены в сводной таблице 4.6 и показаны на графике (рисунок 4.3).
Сравнительная нивелировка кранового пути без нагрузки и с нагрузкой позволяет зафиксировать на участке пути 75 м значение упругого прогиба пути от 0 до 28 мм. Величина упругого прогиба вдоль кранового пути имеет случайный (неравномерный) характер. Если необходимо определить, какие уклоны преодолевает кран при своем движении, то пренебрегать параметром упругого прогиба кранового пути (рассматривая его как небольшую системную погрешность) нельзя.
Экспериментальные исследования параметра упругого прогиба кранового пути
Математические модели, особенно использующие численные методы и вычислительную технику, требуют для своего создания значительных интеллектуальных и временных затрат. Этап обследования включает следующие работы: тщательное обследование объекта моделирования с целью выявления основных факторов, механизмов, определяющих его поведение, определение соответствующих параметров, позволяющих описывать моделируемый объект, сбор и проверка имеющихся экспериментальных данных об объектах-аналогах, проведение при необходимости дополнительных экспериментов, аналитический обзор литературных источников, анализ и сравнение между собой построенных ранее моделей данного объекта (или подобных рассматриваемому объекту), анализ и обобщение всего накопленного материала, разработка общего плана создания математической модели. Содержательная постановка задачи моделирования не бывает окончательной и может уточняться и конкретизироваться в процессе разработки модели. Однако все последующие уточнения и изменения содержательной постановки должны носить частный непринципиальный характер. Если объектом моделирования является технологический процесс, машина, конструкция или деталь, то содержательную постановку задачи моделирования называют технической постановкой задачи. Эта работа требует специалистов со специфическими знаниями и способностями. Подобных специалистов в настоящее время называют постановщиками задач, источником информации для которых служит имеющаяся информация об объекте моделирования (в особенности данные экспериментальных исследований), а также модели, разработанные ранее. На основании анализа всей собранной информации постановщик задачи должен сформулировать требования к будущей модели. Специалисты-постановщики должны обладать способностью из большого объема слабо формализованной разнообразной информации об объекте моделирования, из различных, нечетко высказанных и сформулированных пожеланий и требований к будущей модели выделить то главное, что может быть действительно реализовано. Таким образом, главное в концептуальной постановке – правильно сформулировать предположения и гипотезы. Для построения концептуальной модели формулируется совокупность гипотез о поведении объекта, его взаимодействии с окружающей средой, изменении внутренних параметров. Как правило, эти гипотезы правдоподобны в том смысле, что для их обоснования могут быть приведены некоторые теоретические доводы и экспериментальные данные, основанные на собранной ранее информации об объекте.
Для формализации задачи нечеткого моделирования крановых путей дадим самые основные зависимости прогибов кранового пути в описательном виде, аналогичном правилам в теории нечетких множеств («Если А=В и С=D и … то mi=nj и ….») [75,78], используя предварительные исследования, а также известные статистические данные и экспертные оценки.
Практическая реализация задачи нечеткого вывода заключается в определении входных и выходных переменных задачи оценки прогибов кранового пути (приведение к нечеткости).
Определим функции принадлежности для входных параметров. В качестве первой входной величины примем приведенную жесткость Спр конструкции крановых путей [97,119,125]. Приведенная жесткость конструкции крановых путей при последовательном в направлении действия нагрузки соединении элементов определяется по формуле
Обобщив результаты теоретических исследований, включая расчетные и справочные данные (Приложение Б) для реализации задачи нечеткого вывода по параметру жесткости кранового пути принимаем следующие входные переменные (расчет выполняется по формуле (3.1)): 1) предлагаемое конструктивное решение кранового пути (рельс, метал лическая шпала, железобетонная плита, щебеночное покрытие): Спр = 32,98 + 15 + 131,93 + 4,11 + 3,6 = 188 кН/м; 2) стандартная конструкция кранового пути (рельс, деревянная полу шпала, щебеночная балластная призма): Спр = 32,98+ 5,4 +4,11 + 3,6= 46 кН/м; 3) стандартная конструкция кранового пути (рельс, железобетонная шпала, щебеночная балластная призма): Спр = 32,98+ 14,4 + 4,11 + 3,6= 55 кН/м; 4) стандартная конструкция кранового пути (рельс, железобетонная шпала, балластная призма – крупнозернистый песок): Спр = 32,98+ 14,4 + 2,9 + 3,6= 54 кН/м; 5) стандартная конструкция кранового пути (рельс, металлическая шпа ла, щебеночная балластная призма): Спр = 32,98 + 15+ 4,11 + 3,6= 56 кН/м. Расчетные значения приведенной жесткости конструкции сведены в таблицу 3.2.
На первом этапе определяется носитель нечеткого множества или область определения. Этот этап не вызывает затруднений и его результаты можно считать достаточно достоверными.
На втором этапе определяется форма функции принадлежности. Принятие такой функции, как правило, носит субъективный творческий характер и в большей степени зависит от физического смысла решаемой задачи. Существуют различные методики выявления вида функции принадлежности [75, 78], как правило, основанные на экспертных оценках. В данном случае эта проблема также решалась экспертным путем с учетом физического содержания задачи нечеткого моделирования.
Не вдаваясь в детальное описание формальных математических аспектов этой теории (более подробное изложение этой теории можно найти в [75, 78]), перейдем непосредственно к формализации задачи нечеткого вывода, в первую очередь включающей определение функций принадлежности для входных и выходного параметров. Для указанных величин предложены, как достаточно соответствующие физическому смыслу и специфике задачи, лингвистические переменные входные «Жесткость, С», «Нагрузка, Р» и выходная «Прогиб, S» в виде треугольных нечетких чисел, а на границах области определения – в виде сигмоидальных нечетких интервалов. Указанные функции приведены на рисунке 3.1. В качестве обозначений лингвистических переменных для предложенных функций приняты следующие значения: Мин – минимальное значение; М – малое; Ср – среднее; Б – большое; Мах – максимальное. Таким образом, в терминах теории нечетких множеств лингвистические переменные определены терм-множествами со следующие значениями: «Жесткость, С» {Мин, М, Ср, Б, Мах}; «Нагрузка, Р» {Мин, М, Ср, Б, Мах}; «Прогиб, S» {Мин, М, Ср, Б, Мах}.