Введение к работе
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.
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.
