Введение к работе
Актуальность темы. Мостовые краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, погрузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. Они имеют большую номенклатуру типоразмеров и исполнений, их грузоподъемность достигает 800 т. Наиболее широко используются краны грузоподъемностью от 5 до 50 т.
Работоспособность, надёжность и безопасность эксплуатации кранов во многом зависит от качества исполнения их металлических конструкций. Несущим элементом металлической конструкции мостового крана является пролётная балка. При необходимых прочностных характеристиках пролётные балки должны быть технологичными, иметь малую стоимость и массу. Масса изделия машиностроения в значительной степени определяет его стоимость (выше 70 %) и сокращение расхода металла на 1 % ведет к снижению себестоимости изделия до 5 %. Особое значение металлоемкость имеет для мостовых кранов, в которых доля металлических конструкций достигает 80 % их металлоемкости.
В комплекс работ по снижению металлоемкости изделия входит внедрение научно обоснованных методов его расчетов, включая вариантное проектирование и оптимизацию. При этом, как правило, оптимальные металлические конструкции в целом не могут быть получены на основе оптимальных частных решений их элементов, так как в составе металлических конструкций отдельные элементы могут утрачивать оптимальные значения своих параметров.
Анализ металлоёмкости существующих металлических конструкций пролётных балок мостовых кранов показал, что разность в массах пролётных балок, предназначенных для одного типоразмера мостового крана, но изготовленных на разных предприятиях составляет до 15%. Поэтому совершенствование метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мостовых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке, является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 219 (шифр программы 2010-219-001.073, договор № 13.G37.31.0023) и при поддержке Гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники.
Цель работы заключается в снижении металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов на основе проектирования пролетных балок с оптимальными массогабаритными показателями.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования.
-
выполнить анализ конструкций и методов расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;
-
разработать методику оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов;
-
разработать математическую модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов;
-
разработать усовершенствованный метод расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями и реализующее его программное обеспечение;
-
построить параметрический ряд и номограммы значений геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;
-
осуществить практическую реализацию результатов научных исследований на предприятии, выпускающем грузоподъемные машины.
Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории расчета несущих металлических конструкций и метода конечных элементов. Для проведения расчетов использовались САПР SWR Simulation и вычислительная среда Mathcad-14.
Объект исследования - пролётные балки мостовых кранов.
Предмет исследования - взаимосвязь геометрических параметров поперечного сечения, условий работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
-
Методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и геометрическими поперечного сечения пролётной балки.
-
Математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, обеспечивающих снижение металлоемкости металлических конструкций мостовых кранов.
-
Метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями на основе совмещения проектного и проверочного расчётов, позволяющая производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины.
Научная новизна. Впервые реализован параметрический синтез пролётных балок мостовых кранов на основе многовариантного анализа геометрических параметров пролётных балок и совмещения проектного и проверочного расчётов.
Практическая значимость работы заключается в создании методического и программного обеспечения, предназначенного для расчета металлических конструкций мостовых кранов, что сокращает время проектирования и обеспечивает энергоресурсосбережение при их производстве.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ТулГУ, на XIII Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2009), на 14 Международной научно-технически конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения»
(г. Тула, 2009 г.), на XII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения» (Орел, 2010 г), на II Международном научно-практическом семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых (С-Пб., 2011), на VI молодежной научно-практической конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 107 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 127 страниц, в том числе 37 рисунков и 12 таблиц. Объем приложений составляет 8 страниц.
