Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор состояния подкрановых путей в речных и морских портах России 6
1.1. Методы контроля основных характеристик рельсовых путей 8
1.2. Методы оценки состояния подкрановых путей 10
1.3. Нагрузки на причал от колес портальных крапов и транспортных средств 14
1.3.1. Определение нагрузок от кранового оборудования на свайное причальное сооружение 15
1.3.2. Определение нагрузок от кранового оборудования на причалах гравитационного типа и типа больверк 17
1.4. Постановка задач исследования 19
II. Разработка алгоритмов статистического анализа и принятия решений о состоянии подкрановых путей 20
2.1. Выбор методов анализа состояния подкрановых путей 20
2.2. Разработка алгоритмов оценки математического ожидания высотного положения рельсов 22
2.2.1. Обоснование применения статистических методов анализа состояния подкрановых путей 22
2.2.2. Анализ существующих алгоритмов и методов оценки текущего среднего случайных процессов 22
2.2.2,1 Регрессионные методы получения математического ожидания 23
2.2.2.2. Применение цифровых фильтров для сглаживания случайных процессов 28
2.2.3. Алгоритм оценки текущего среднего высотного положения рельсовых подкрановых путей 33
2.3. Оценка статистических характеристик высотного положения рельсов 39
2.4. Оценка общего состояния подкрановых путей 43
2.4.1. Оценка состояния подкрановых путей на основе математического ожидания 43
2.4.2. Оценка состояния подкрановых путей на основе статического фазового портрета 45
2.5. Алгоритм оценки состояния подкрановых путей 48
2.6. Определение нагрузок на опоры портала при неровностях подкрановых путей 51
2.6.1. Алгоритм определения максимального давления на опору крана 51
3. Влияние изменения опорной крановой нагрузки на причальные сооружения 61
3.1. Расчет причального сооружения типа больверк при действии нормативной крановой нагрузки 63
3.1.1. Построение расчетной схемы 64
3.1.2. Определение эквивалентной крановой нагрузки 65
3.1.3. Построение многоугольника сил 65
3.1.4. Определение реакции в анкере 67
3.1.5. Определение изгибающего момента в пролете 68
3.1.6. Определение глубины погружения шпунта 68
3.2. Расчет причального сооружения типа больверк при увеличении крановой нагрузки 69
3.3. Расчет причального сооружения свайного типа при действии нормативной крановой нагрузки 74
3.3.1. Нагрузка на ригель от действия собственного веса верхнего строения 76
3.3.2. эксплуатационная распределенная нагрузка на ригель 77
3.3.3. Нагрузка от действия портальных кранов 77
3.3.4. Нагрузка от действия железнодорожных составов 79
3.3.5. Швартовная нагрузка 80
3.3.6. Нагрузка от навала судна 81
3.3.7. Глубина защемления свай в грунте 82
3.3.8. Расчет рамы 83
3.4. Расчет причального сооружения свайного типа при увеличении крановой нагрузки 88
4. Разработка программных средств для оценки состояния подкрановых путей 93
Список литературы
Приложения 107
- Определение нагрузок от кранового оборудования на свайное причальное сооружение
- Алгоритм оценки текущего среднего высотного положения рельсовых подкрановых путей
- Расчет причального сооружения типа больверк при увеличении крановой нагрузки
- Расчет причального сооружения свайного типа при увеличении крановой нагрузки
Определение нагрузок от кранового оборудования на свайное причальное сооружение
Такие изменения приводят к тому, что опоры крана, перемещающегося по рельсовому пути, нагружаются неравномерно [45, 46]. Если вовремя не выявить критические участки пути и не провести их ремонт, многократно возрастает риск перегрузки опор портала крана, и, как следствие, возможность аварии и отказа оборудования. Это влечет за собой прямые убытки порта, связанные как с затратами на ремонт оборудования, так и с возмещением ущерба клиентам в связи с задержкой груза. Анализ точности укладки подкрановых путей, проведенный во многих морских и речных портах показывает, что состояние этой части перегрузочных комплексов на сегодняшний день находится в неудовлетворительном состоянии.
Сроки проведения инструментальной проверки подкрановых путей в зависимости от основания регламентируются согласно [25,42]; там же указаны типы средств измерения, с помощью которых проводится контроль пара метров состояния подкрановых путей. Технология нивелирования сводится к фиксированию замеров через каждые 5 м в точках на расстоянии 10 метров от ближайших кранов. По результатам нивелирования необходимо проводить дополнительную проверку высотного положения рельс в соответствии с рекомендациями, изложенными в [25,42]. Плановое положение рельсов проверяют путем: ? измерения расстояния между осями крановых рельс в точках, где проводились нивелирование; ? оценки планового положения, сравнением отношений между осями относительно проектной ширины с допусками или с допусками заводов-поставщиков оборудования [39]. В результате измерений параметров рельсовых путей скапливается довольно большой массив данных, что вызывает сложность его обработки вручную. Решением этой проблемы является разработка программных средств для ПК, позволяющих автоматизировать процесс обработки данных, а также минимизировать временные затраты. Примером автоматизации оценки планового и высотного положений рельсов является алгоритм Шаламова А. [60], реализованный в качестве программного решения в среде Microsoft Excel. Он позволяет вести обработку езультатов с учетом поправок за "угол Г. В программу заносятся только "полевые" материалы без промежуточной обработки. Программа выдает следующие данные: ? по высотному положению — таблицу относительных отметок контрольных точек, превышений на соседних точках вдоль ряда, в поперечном сечении, а так же график высотного положения; ? по плановому положению — таблицу отклонений контрольных точек от прямой, проходящей через конечные точки путей каждой нитки, ширину пролета на каждой оси измерений, график планового положения путей.
Тем не менее, в [60] отсутствует методика оценки эксплуатационной надежности рельсового пути на основании полученных данных.
Методика оценки состояния подкрановых путей сводится к обработке результатов замеров и построению графиков [39] (рис. 1.3), на основании которых принимают решения о ремонте кранового рельсового пути.
Однако, ни в [39], ни в других литературных источниках никак не обосновываются величины допусков на перепад рельсовых нитей по высоте, величины допусков дифференцируются лишь исходя из типа основания рельсовых путей. На сегодняшний день не существует методики статистической обработки данных измерений параметров рельсовых путей, которая позволила бы детально изучить состояние рельсового пути, выявить закономерности в отклонениях его параметров от нормы, получить математические модели, адекватно описывающие его состояние.
Обработку полученных данных измерений целесообразно проводить с использованием статистических методов обработки информации. Эти методы позволяют выявить закономерности в данных измерений, а также рассчитать статистические показатели, которые позволят перейти к оценке надежности рельсового пути. Существует ряд теоретических работ, в которых предприняты попытки описания кривизны рельсовых путей. Чтобы представить «реальный» крановый рельсовый путь подходящей аппроксимацией, принимались различные «допущения». Например, в диссертации СВ. Бобова расчетный крановый рельсовый путь был принят в виде повернутых друг относительно друга отрезков пути с прямыми параллельными рельсами. По-видимому, такая идеализация мало убедительно и у нее отсутствует практический аналог.
В работе В.М. Соболева рельсы кранового пути представлены дугами синусоид типа Sin itX/l, где 1 - длина участка пути порядка 30 - 40 м и более. Такая идеализация также мало убедительна, хотя автор ссылается на обследование более 16 км крановых рельсовых путей.
Попытка описать «реальный» крановый рельсовый путь в виде представления экспериментальных данных замеров отклонений в виде ряда Фурье было реализовано харьковским исследователем В.Н. Ивановым, однако при этом не было сделано «следующего шага» к статистической оценке отклонений крановых рельсовых путей от проектного положения.
Проведенные исследования измерений высотных отклонений рельсов в портах Сочи и Туапсе, а также путей причалов Московского Северного порта (МСП) показывают, что процесс изменения высотных отклонений рельсов носит стохастический характер. На рис. 1.4 показаны данные измерений высотных положений рельсов причала МСП.
Алгоритм оценки текущего среднего высотного положения рельсовых подкрановых путей
Из формулы (2.30) следует, что величина h вызывает увеличение давления на опору. Минимально возможное h может быть назначено из рассмотрения строительных допусков на изготовление портала и укладку путей. Что касается максимально возможной нагрузки на опору при неограниченно большом И, то она определится из очевидного положения равновесия на двух диагонально противоположных опорах. Например, при зазоре под опорой А или С и положении стрелы на диагонали BD, максимальное давление 1. Рассмотрены вопросы обработки данных измерений высотных положений подкрановых путей. Выяснено, что величины высотных отклонений головок рельсов от абсолютной отметки носят случайный характер. 2. Проведен анализ подходов и методов, применяемых для оценки текущего среднего высотного положения рельсов. Показано, что наиболее эффективным в данных условиях является применение сглаживающих фильтров с конечной импульсной характеристикой. 3. Разработан алгоритм оценки изменения среднего нестационарного случайного процесса (ОСНСП) и показана эффективность его применения для нахождения изменения высотного положения рельс причала в среднем. Результаты моделирования подтвердили эффективность предложенного алгоритма. 4. На основе алгоритма ОСНСП разработана вычислительная процедура получения статистических характеристик переменных hn, hj. Предложен критерий оценки адекватности нестационарного математического ожидания. 5. На основе алгоритма ОСНСП предложен графический метод оценки общего состояния подкрановых путей в портах. 6. Разработана методика построения критических зон состояния подкрановых путей в портах. 7. Предложена методика определения перегрузки опоры портала крана при неровностях подкрановых путей. В третьей главе предложена методика проведения поверочных расчетов причальных сооружений типа больверк и свайного типа, учитывающая увеличение нагрузки на опору крана вследствие неровности подкрановых путей. В настоящее время при расчете причальных сооружений в качестве одной из нагрузок принимается нормированное значение крановой нагрузки. В случае свайного сооружения нагрузка принимается в виде сосредоточенных сил от колес портала, а в случае причала типа больверк сосредоточенная нагрузка заменяется эквивалентной равномерно распределенной. При этом для оценки технического состояния существующих сооружений и определения напряженно-деформированного состояния конструкции необходимо учитывать в числе других факторов увеличение крановой нагрузки вследствие неровности укладки подкрановых путей. Как показывает опыт, причальные сооружения, подвергающиеся воздействию увеличенной крановой нагрузки, продолжают эксплуатироваться, но с определенным риском. Чтобы точнее определить этот риск, требуется разработать соответствующие расчетные методы. В связи с тем, что речь идет о реальном проектировании, в качестве методики поверочных расчетов используется метод предельных состояний. Поверочные расчеты выполняются по двум вариантам: 1) Вариант, включающий действие нормативного значения крановой нагрузки; 2) Вариант, включающий действие увеличенного значения крановой нагрузки. В качестве исходных данных при расчете по первому варианту принимаются рабочий проект, исполнительная документация. Порядок расчета заключается в следующем: в соответствии с проектной документацией устанавливаются значения нагрузок на причал, в том числе и крановая нагрузка; производится расчет сооружения методами предельных состояний; проверяется прочность и устойчивость несущих элементов сооружения. На основе сравнения поверочных расчетов принимается решение о способах реконструкции сооружения. Порядок проведения поверочных расчетов можно представить в виде схемы, показанной на рис. 3.1. Для иллюстрации предложенной методики в диссертационной работе были проведены поверочные расчеты причального сооружения типа боль-верк и набережной на колоннах-оболочках. Свайные причалы и больверки являются сооружениями, наиболее распространенными в портах. Статистика применения причальных сооружений различных конструкций показана в табл. 3.1 [28].
Расчет причального сооружения типа больверк при увеличении крановой нагрузки
Для получения математического ожидания часто весьма успешной оказывается применение процедуры цифровой фильтрации. Цифровые фильтры представляют собой математические алгоритмы, позволяющие определенным преобразовать входной ряд значений измеряемой величины [44]. Они эффективно используются в таких областях, как подавление различного рода шумов и помех, распознавание речи, и в особенности для подавления эха в устройствах передачи данных [58]. Цифровые фильтры отличаются высоким качеством формирования частотной характеристики, стабильностью параметров, простотой изменения параметров амплитудно-частотной характеристики и возможностью адаптации параметров фильтра.
Заметим, что для обработки результатов измерений высотного положения рельсов в морских и речных портах регрессионные методы и цифровая фильтрация не применялись. Отсутствуют также методы оценки эксплуатационной надежности подкрановых путей.
Важнейшей задачей при оценке надежности существующего или при проектировании нового причального сооружения является определение действующих нагрузок на элементы его конструкции [41,30]. Нагрузки на причал от перегрузочных и транспортных средств являются одними из основных факторов при проведении расчетов и поэтому необходимо знание их точных значений. Иногда на краностроительных заводах расчет нагрузки на опору портала крана основывается на ряде допущений, что приводит к занижению величин нагрузок на опоры портала [45]. В работах Гаранина Н.П. [4], Гох-берга М.А. [12], Резникова [45], Мазовера И.С. [50] исследуется вопрос перегрузки опоры портала крана вследствие неровности подкранового пути. Однако влияние такой перегрузки на причальные сооружения наиболее распространенных типов в этих работах не исследуется.
По статистическим данным, наиболее распространенными причальными сооружениями в портах являются причалы свайного типа и больверки [28]. А. Определение нагрузок от кранового оборудования на свайное причальное сооружение. Б. Определение нагрузок от кранового оборудования на причалах гравитационного типа и типа больверк. При расчете нагрузки на портал рассматривают наиболее неблагоприятный случай, когда одновременно работают два рядом стоящих, максимально сближенных портальных крана. В этом случае максимально сближены две группы сил. Одна группа сил: 1) от колес ноги первого крана ] Р{; 2) от колес ноги второго крана Р, (рис. 1.5). В расчетах принимают ту величину давления на одно колесо крана, которая возникает при расположении стрелы крана нормально кордону (положение стрелы I) и ветровой нагрузке с тыла (направление ветра по стрелке 1, рис. 1.6), При таком положении возникает максимальная величина нагрузки от действия двух ног соседних кранов.
Нагрузки от кранов и железнодорожных составов на причалах гравитационного типа и типа больверк, как правило, принимаются равномерно распределенными как вдоль пути, так и по ширине подкрановых балок или длине шпал [28]. Для этого сосредоточенную нагрузку Рк от кранов заменяют эквивалентной q0 равномерно распределенной нагрузкой (рис. 1.7). При этом учитывается нагрузка только от прикордонной опоры крана, нагрузка от тыловой опоры принимается равной равномерно распределенной от складирования грузов в этой зоне.
Эквивалентную равномерно распределенную нагрузку q0 по ширине подкрановых балок или длине шпалы определяют по формуле где Рк — максимальная нагрузка от группы сосредоточенных сил при эксплуатации одиночных или сближенных кранов; b — ширина подкрановой балки или длина шпалы (стандартная длина шпалы для портальных кранов составляет 1350 мм); / — длина полосы распределения нагрузки Рк вдоль линии кордона причала, определяется в соответствии со схемами, приведенными на рис. 1.7. В обоих случаях одной из отправных точек является величина нагрузки на опору портала крана. Комплексному изучению проблемы влияния высотных отклонений рельсов на нагруженность кранового оборудования и последующему расчету порталов уделялось недостаточно внимания. Так, в [45] предложена методика определения нагрузки на опору портала крана в зависимости от неровности подкрановых путей по высоте, приведены алгоритмы расчета коэффициента податливости порталов различной геометрии. Предложенная в [45] методика определения опорных давлений крана показывает, что рассчитанное таким образом давление на опору портала крана может быть в 1,8-2 раза превышать значения, чем рассчитанное по обычным формулам.
Расчет причального сооружения свайного типа при увеличении крановой нагрузки
Получены следующие модель и величина R2 = 0,79. Анализ полученных моделей (2.6) - (2.10) и соответствующих значений критерия R2 показывает, что: 1) изменение высотного положения рельса по длине причала описывается полиномиальной моделью; 2) не во всех случаях удалось получить адекватные математические модели, описывающие изменение переменных hP и Ит. Для повышения степени адекватности следует изменять структуру модели; 3) коэффициенты модели имеют достаточно малые значения и их при менение для прогнозирования изменения среднего значения h при достаточно больших / может привести к ошибкам; 4) коэффициенты в полученных моделях отличаются диапазоном значений, что требует получения уравнения модели для каждого порта; 5) для прогнозирование общего состояния подкрановых путей важно знать общую картину положения рельсов, а не их точное значение, полученное по математическим моделям (2.6) — (2.12). Поэтому следует использовать более простые в реализации алгоритмические методы получения среднего переменной h. Для сравнения полученных результатов и принятия решений по разработке методики оценки состояния подкрановых путей рассмотрим алгоритмические методы получения математического ожидания, основанные на применении процедур сглаживания и фильтрации. В отличие от регрессионного анализа процедуры получения среднего, основанные на применении методов сглаживания и цифровой фильтрации являются более универсальными и простыми в реализации, так как основаны на итерационных принципах и в силу этого находят широкое применение в различных областях науки и техники [18, 19]. Одно из главных преимуществ цифровых фильтров заключается в том, что они легко реализуются на компьютере. Так например, чтобы изменить частоту среза, скорость спада АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) или ФЧХ (фазово-частотная характеристика), следует уменьшить или увеличить количество отсчетов переменной /г, (число коэффициентов фильтра), на основе которых получается текущая оценка среднего. Можно довольно легко произвести радикальные изменения, например, такие как превращение низкочастотного фильтра в высокочастотный. Идея изменения характеристик фильтра с помощью изменения небольшого числа коэффициентов открывает и более широкие перспективы. Становится возможным проектирование адаптивных фильтров, которые сами подстраиваются к изменяющимся условиям. Для адаптивных фильтров необходимо разрабатывать механизм изменения коэффициентов фильтра под воздействием изменения условий. Существует два основных типа цифровых фильтров [18, 19]: а) фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ или нере курсивные); б) фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ или ре курсивные). Название БИХ-фильтры объясняется тем, потому что их импульсные характеристики растянуты на бесконечном временном интервале и представляют собой бесконечную последовательность взвешенных 5-функций как реакцию на воздействие единичной -функции. Это объясняется тем, что данные фильтры являются рекурсивными, то есть для расчета последующих выходных значений используют предыдущие. Наличие такого алгоритма работы связи означает, что такие фильтры могут оказаться неустойчивыми, так как в этом случае имеет место процесс накопления ошибок. Хотя БИХ-фильтры могут быть реализованы с меньшим, чем КИХ-фильтры, количеством вычислений, фильтры с бесконечной импульсной характеристикой не могут иметь таких характеристик, которыми обладают нерекурсивные фильтры. Вычислительные преимущества БИХ-фильтра теряются, когда выходной сигнал фильтра подвергается децимации, поскольку в этом случае всякий раз приходится вычислять заново значение выходной величины. Кроме того, БИХ-фильтр не имеет линейной фазовой характеристики, что приводит к искажению получаемых оценок.
Рекурсивный фильтр содержит элементы задержки в цепи обратной связи. Выходные отсчеты также задерживаются, взвешиваются и складываются с задержанными и взвешенными отсчетами входного сигнала.
