Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих методов обоснования безопасности подъёмно транспортных машин и моделей оценки риска 10
1.1 Обзор литературы и публикаций по обоснованию безопасности подъёмно-транспортных машин 10
1.2 Обзор нормативно-технической документации по оценке риска 17
Выводы по разделу и постановка задачи для исследования 30
2 Анализ аварийности, травматизма и основных дефектов при эксплуатации портальных кранов 32
2.1 Анализ аварийности и травматизма при эксплуатации портальных кранов 32
2.2 Анализ эксплуатационных дефектов портальных кранов 35
2.2.1 Анализ эксплуатационных дефектов металлоконструкции портальных кранов 35
2.2.2 Анализ эксплуатационных дефектов приводов механизмов и электрооборудования портальных кранов 44
Выводы по разделу 46
3 Разработка методики оценки риска эксплуатации портальных кранов 48
3.1 Общие положения 48
3.2 Модель качественного метода оценки риска 49
3.3 Модель количественного метода оценки риска
3.3.1 Общие положения 57
3.3.2 Оценка риска эксплуатации механизмов крана 59
3.3.3 Оценка риска эксплуатации электрооборудования 66
3.3.4 Модель оценки риска эксплуатации металлоконструкции
портального крана 72
3.3.5 Оценка риска эксплуатации портального крана 79
3.3.6 Выбор метода и алгоритм оценки риска 86
Выводы по разделу 88
4 Исследование нагруженности металлоконструкции расчетными методами 89
4.1 Основные положения 89
4.2 Создание расчетных конечно-элементных моделей
4.2.1 Выбор моделей для исследования 90
4.2.2 Этапы создания расчетных конечно-элементных моделей 98
4.3 Расчетные режимы работы и задание нагрузок 102
4.3.1 Расчетные режимы работы 102
4.3.2 Задание статических нагрузок 106
4.3.3 Задание ветровых нагрузок 107
4.4 Результаты оценки напряжённо-деформированного состояния металлоконструкции портальных кранов 107
4.4.1 Результаты расчета конечно-элементных моделей 107
4.4.2 Оценка достоверности результатов расчета 114
4.5 Алгоритм работы с конечно-элементными моделями портальных кранов и участков металлоконструкции 115
4.5.1 Общие положения 115
4.5.2 Рекомендации по созданию и использованию моделей 115
4.5.3 Приложение нагрузок 117
4.5.4 Представление результатов 118
Выводы по разделу 118
5 Оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16, зав.
№9905, экспл. №ПАЛ 57 120
5.1 Краткие сведения о кране и исходные данные для оценки риска 120
5.2 Качественная оценка риска эксплуатации портального крана 122
5.3 Количественная оценка риска эксплуатации портального крана
5.3.1 Оценка риска эксплуатации механизмов 127
5.3.2 Оценка риска эксплуатации электрооборудования 132
5.3.3 Количественная оценка риска эксплуатации металлоконструкции 133
Оценка риска эксплуатации портального крана 141
Выводы разделу 143
Общие выводы 144
Список использованных источников
- Обзор нормативно-технической документации по оценке риска
- Анализ эксплуатационных дефектов приводов механизмов и электрооборудования портальных кранов
- Модель количественного метода оценки риска
- Этапы создания расчетных конечно-элементных моделей
Введение к работе
Актуальность исследования. После вступления в силу технического регламента «О безопасности машин и оборудования» изменились требования к технической и эксплуатационной документации, появилась необходимость в разработке нового документа по обоснованию безопасности машин и механизмов, который должен явиться аналогом европейского технического файла («Technical file») или файла истории продукции («Design Dossier») и включать оценку риска наряду со сведениями из конструкторской, эксплуатационной, технологической документации. В соответствии с последними требованиями оценку риска эксплуатации машин и механизмов должны проводить при конструировании, производстве и на всех стадиях эксплуатации.
Вопросы оценки риска затронуты во многих зарубежных стандартах (британские стандарты, европейские нормы, стандарты США, Голландии и др.). В российских нормативных документах вопросы оценки риска рассмотрены в руководствах по анализу риска для опасных производственных объектов газодобывающих и газотранспортных предприятий, оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах, в стандартах МЧС по определению расчетных величин пожарного риска, стандартах по менеджменту риска.
Данная работа выполнена в развитие направления по обеспечению безопасности эксплуатации портовой подъемно-транспортной техники и посвящена вопросам оценки риска эксплуатации одного из её видов - портальных кранов. Результаты проведенных исследований позволяют выполнять комплексную оценку вероятности безотказной работы всех элементов портального крана и давать наиболее полную оценку уровня технического риска в целях обоснования безопасной эксплуатации. Тема приобретает особую актуальность, учитывая техническое состояние портового оборудования, срок службы которого близок к завершению, что требует оценки остаточного ресурса и прогнозирования риска его эксплуатации.
Целью работы является разработка научно-обоснованной инженерной методики оценки риска эксплуатации портального крана на основе использования логико-вероятностных методов расчета и расчетно-экспериментальных методов оценки надежности его элементов.
Объектом исследования являются портальные краны, представленные в виде иерархической системы и схематизированные в виде несущих элементов металлоконструкции, приводов механизмов и элементов электрооборудования.
Методы исследований. При обосновании безопасной эксплуатации
портальных кранов использована техническая концепция анализа риска, в основе
которой лежит анализ относительных частот появления аварий, причин
возникновения дефектов и способ определения их вероятностей, основанный на
изучении напряженно-деформированного состояния элементов
металлоконструкции, механизмов портальных кранов и использовании статистических данных об отказах. Для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции использовались метод конечных элементов и тензометрические испытания.
Научная новизна заключается в следующих достижениях, выносимых на защиту:
Разработана методика оценки риска эксплуатации портальных кранов, представляющая кран в виде иерархической системы и использующая логико-вероятностные и расчетно-экспериментальные методы оценки.
Построен алгоритм количественной оценки риска эксплуатации портальных кранов, находящихся на всех стадиях эксплуатации.
Предложена расчетно-экспериментальная модель оценки риска эксплуатации металлоконструкции, имеющей эксплуатационные дефекты.
Усовершенствована методика оценки нагруженности металлоконструкции портальных кранов конечно-элементными методами и разработан алгоритм создания стержневых, пластинчатых и комбинированных конечно-элементных
моделей в программной среде АРМ WinMachine с практическими рекомендациями к применению.
Созданы и рассчитаны при помощи метода конечных элементов металлоконструкции пяти типов портальных кранов грузоподъемностью от 5 до 32 тонн при различных положениях поворотных элементов крана, что позволяет оценивать их напряженно-деформированное состояние при различных вариантах работ.
Построены и проанализированы деревья неисправностей (деревья отказов) металлоконструкции, электрооборудования и механической части приводов, позволяющие с использованием логико-вероятностных методов составить обоснование безопасности портальных кранов.
Практическая ценность работы, заключается в следующем:
Созданы и рассчитаны при помощи метода конечных элементов модели четырех портальных кранов грузоподъемностью от 5 до 32 тонн (комбинированные модели портальных кранов Ганц 5/6-30 тип Е, Альбрехт 10/20-32/16 и стержневые модели кранов Альбатрос 10/20-32/16, Ганц 16/27,5-33/21), а также модели типовых элементов с эксплуатационными дефектами при различных положениях поворотных элементов крана для разных схем механизации с использованием различных методов отрисовки, что позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние конструкции при различных вариантах работ и формировать спектр нагруженности при различных схемах механизации.
Построены типовые деревья неисправностей металлоконструкции, электрооборудования, механической части привода портального крана для применения при оценке риска эксплуатации различных моделей кранов.
Разработаны предложения для составления методических рекомендаций по созданию конечно-элементных моделей портальных кранов.
Выполнена оценка риска эксплуатации механизма поворота портального крана Альбатрос 10/20-32/16 на основе данных об интенсивности отказов и данных
тензометрирования для выходного вала редуктора
5. Выполнена оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16, составлены предложения к обоснованию безопасности.
Достоверность результатов работы.
Проводимые исследования базируются на широко опробированных, имеющих практическое использование методах имитационного моделирования и теории риска. Для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния используется лицензионный программный комплекс АРМ WinMachine v 9.7. Полученные результаты подтверждены экспериментальными данными по нагруженности. Результаты расчетных оценок риска эксплуатации не противоречат имеющимся справочным данным.
Внедрение результатов работы. Предложенная методика оценки риска эксплуатации портальных кранов получила внедрение в расчетную практику ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность» и экспертно-аналитического центра по подъемным сооружениям ОАО «Газпром». Также внедрены в практику работы по усилению металлоконструкции кранов на основе конечно-элементных моделей, позволяющие снизить уровень концентрации напряжений и повысить живучесть конструкции. В настоящее время предложенные варианты ремонта проверяются в эксплуатационных условиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы и ее различных разделов были доложены на: Московских международных
межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых
учёных "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и
робототехнические комплексы" (г. Москва 2006-2011 гг.); ГХ-ом и ХШ-ом форумах
«Современные компьютерные технологии проектирования в области
машиностроения и строительства» (г. Королев, 2007 г.; г. Сергиев-Посад, 2011 г.);
Международной научно-технической конференциии «Интерстроймех-2008»,
(г. Владимир, 2008г.); 11-ой Всероссийской конференции «Подъемно-транспортная
техника, внутризаводской транспорт, склады», (г.Москва, 2008г.); Всероссийских
конкурсах молодежных проектов и программ научно-технического творчества
молодёжи НТТМ-2008, НТТМ-2009, (г.Москва, 2008, 2009 гг.); 5-ой специализированной выставке подъемно-транспортного оборудования «Кранэкспо» (г. Москва, 2010 г.); Конференции-выставке на тему: «Интеграция научных разработок в бизнес-сферу и развитие малого предпринимательства на базе вузов» (г. Москва, 2010г.); Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); II международном конгрессе «Моделирование нелинейных процессов и систем», Московский государственный университет технологий «СТАНКИН» (г. Москва, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных и 3 рукописные работы, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и трёх приложений, изложена на 182 страницах. Основной текст диссертации изложен на 154 страницах и включает 54 рисунка, 22 таблицы, список использованных источников в количестве 86 наименований, в том числе 15 зарубежных.
Обзор нормативно-технической документации по оценке риска
К детерминистическим моделям оценки риска относятся модели математического программирования, матричные, линейные и нелинейные модели, в которых, в отличие от вероятностных, случайный характер возникновения процессов не рассматривается. Вероятностные методы позволяют учесть большее число факторов, что снижает число допущений и упрощений и в настоящее время считаются одними из наиболее перспективных для применения. При их использовании производится анализ цепочки событий и отказов оборудования, выбирается подходящий математический аппарат и оценивается полная вероятность аварий. К вероятностным моделям оценки риска относятся вероятностный анализ безопасности, модели теории принятия решений [10], имитационные модели [11, 12], модели прогнозирования [13]. На основе вероятностного метода могут быть построены методики оценки рисков безопасной эксплуатации опасных производственных объектов, которые в зависимости от имеющейся исходной информации разделяются на [2]: — статистические, когда вероятности определяются по имеющимся статистическим данным; — теоретико-вероятностные, которые используются для оценки рисков от редких событий, когда статистика практически отсутствует; — эвристические, основываются на использовании вероятностей, получаемых с помощью экспертного оценивания; данная методика используются при оценке комплексных рисков от совокупности опасностей, когда отсутствуют не только статистические данные, но и математические модели.
Для анализа видов последствий отказов, согласно классификации [14], пользуются одним из следующих методов: — структурным, относящемуся к классу индуктивных методов (анализ "снизу вверх"), применяемых для относительно простых объектов, отказы которых могут быть четко определены, а последствия каждого отказа элементов высшей структуры могут быть прослежены на всех уровнях; - функциональным, относящемуся к классу дедуктивных (анализ по схеме "сверху вниз") методов, применяемых для сложных многофункциональных объектов, для которых характерны сложные зависимые отказы; - комбинированным, сочетающими элементы структурных и функциональных методов.
Однако, [15] предполагает деление на два метода анализа риска: - дедуктивный метод, по которому ситуации, ведущие к конечному результату (аварии), определяются исходя из самого предполагаемого конечного результата. - индуктивный метод, по которому изначально предполагается неисправность элемента системы, а затем анализ ситуаций, к которым данная неисправность может привести. Анализ риска основан на использовании различных концепций. В настоящее время приняты следующие концепции [13] анализа риска: — техническая (технократическая) концепция, в основе которой лежит анализ относительных частот возникновения аварий и способ задания вероятностей аварий; — экономическая концепция, при которой анализ риска производится для исследования с целью определения прибыли или затрат и распределения ресурсов для максимальной полезности обществу. Под риском здесь понимаются потери для общества, возникающие вследствие некоторых событий или действий; — психологическая концепция, которая направлена на определение и объяснение причин восприятия риска у людей на основе собственных предпочтений, а не на основе результатов научных расчетов; — социальная (культурологическая) концепция, которая основана на общественном толковании нежелательных последствий интересов социальных групп в зависимости от личных и общественных интересов. 1.2 Обзор нормативно-технической документации по оценке риска
До вступления в силу Технического регламента [8] на территории Российской Федерации действовали более 50 нормативных документов, определяющих порядок эксплуатации и оценки надежности технических устройств, в частности для портальных кранов [16-27].
Из нормативным документов по проведению анализа риска опасных производственных объектов основным является РД 03-418-01 [3]. В указанном документе установлены методические принципы проведения анализа риска, приводятся термины, определения, характеристики методов анализа риска, рекомендации по выбору методов, даны примеры их применения, а также содержатся требования к оформлению результатов.
В общих положениях рассматриваемого документа сказано, что методические указания являются основой для разработки методических документов по проведению анализа риска на конкретных опасных производственных объектах, а основная задача анализа риска аварий на опасных производственных объектах заключаются в предоставлении лицам, принимающим решения объективной информации о состоянии промышленной безопасности объекта, сведений о наиболее опасных, «слабых» местах с точки зрения безопасности и обоснованных рекомендаций по уменьшению риска.
Основной акцент в документе [3] поставлен на процесс проведения анализа риска, включающего следующие основные этапы: планирование и организацию работ; идентификацию опасностей; оценку риска; разработку рекомендаций по уменьшению риска.
Этап планирования состоит из определения анализируемого опасного производственного объекта с описанием причин и проблем, которые вызвали необходимость проведения анализа риска с указанием ограничения исходных данных, финансовых ресурсов и других обстоятельств, определяющих глубину, полноту и детальность проводимого анализа риска, а также обоснование используемых методов анализа риска и определения критериев приемлемого риска. Критерии приемлемого риска следует определять, исходя из совокупности условий, включающих определенные требования безопасности и количественные показатели опасности.
Первичной задачей этапа идентификации опасностей является выявление и описание всех источников опасностей и ход развития событий до аварии. Особенность данного этапа анализа состоит в том, что невыявленные опасности не подвергаются дальнейшему рассмотрению.
Анализ эксплуатационных дефектов приводов механизмов и электрооборудования портальных кранов
В случае, когда имеются данные по надежности элементов портального крана на стадии эксплуатации, наиболее точной представляется количественная оценка риска эксплуатации. При оценке применяются дедуктивные методы количественной оценки (например, дерево неисправностей), позволяющие, в сравнении с индуктивными методами, получить результаты, наиболее приближенные к реальным. При дедуктивном методе (в отличие от индуктивного), ситуации, ведущие к конечному результату (аварии), определяются, исходя из самого предполагаемого конечного результата.
Однако, как показывают проведенные исследования, для портальных кранов далеко не всегда удается найти статистическую информацию по отказам элементов. В связи с этим,- автором разработан комбинированный метод оценки риска, включающий оценку вероятности возникновения аварии либо статистическим путём обработки данных об отказах, либо расчётно-экспериментальным путём построения для отдельных узлов и деталей графиков, связывающих вероятность безотказной работы со временем эксплуатации.
Портальный кран представляется в виде трёхуровневой технической системы (рисунок 3.1), изменяющей своё состояние во времени, находящейся в разное время в различных состояниях и состоящей из следующих элементов: металлоконструкции, электрооборудования, механизмов крана. Анализ проводится методом дерева неисправностей, который основывается на информации об исходных событиях (отказах элементов механизмов и электрооборудования и несущих элементов металлоконструкции). КРАНІ
Вершина дерева неисправностей портального крана представлена на рисунке 3.2, где Е - аварийный случай, возникший в ходе эксплуатации по причине отказа элементов электрооборудования, приводов механизмов или металлоконструкции (полный отказ системы); Э - аварийный случай, возникший при отказе электрооборудования портального крана; П - аварийный случай, возникший при отказе привода механизма портального крана; М - аварийный случай, возникший при отказе элементов металлоконструкции портального крана. События Э, П, М соединены логическим оператором «или», т.е. главное событие Е может произойти при наступлении любого из событий.
Обозначим вероятность безотказной работы портального крана как функцию PE(t), означающую то, что за период времени At кран будет находиться в безопасном состоянии. Тогда риском аварии при эксплуатации портального крана будет функция QECO:
На начальном этапе оценки риска выявляются все источники опасности (идентификация опасностей). Вершина дерева неисправностей последовательно расширяется для каждого логического оператора таким образом, чтобы на нижнем уровне схемы находились элементарные исходные события. После чего составляется алгоритм сочетаний различных случайных событий, способных привести к аварийной ситуации. Не попавшие в алгоритм элементарные исходные события далее не рассматриваются.
Отказы элементов механизмов носят экспоненциальный и нормальный характер распределения. В общем случае отказы механизмов случайные, но на стадии эксплуатации интенсивности отказов (А,) должны быть известны. Опыт эксплуатации показывает [67, 68], что после небольшого промежутка времени (приработки) интенсивность отказов становиться стабильной величиной, а влияние интенсивности старения- элементов определяется сроком службы изделия. Получаем, что риск отказа механизма QMOO портального крана можно определить по экспоненциальному закону распределения, а прогнозирование аварийных ситуаций возможно провести на основании статистических данных: QM(t)=l-PM(t)=l-e PM(t)=exp[-jKt)dt] где Рм(Х)-вероятность безотказной работы механизма портального крана. Схема механизма портального крана в общем виде представлена на рисунке 3.3. Механизм / 1 і і ( Металло- Двигатель Редуктор [ Муфта N ( \ Тормоз конструкцияч J ч. ) \ 1 Плита Валы Ґ Пальцы J J J Болты Подшипники / Втулки ч J J «. ) I Зубчатая / Шпонки — 1 передача ч J Рисунок 3.3 - Схема механизма портального крана
На основании структурной схемы механизма, следуя положениям логико-вероятностной модели оценки риска, устанавливаются опасные события (отказы), приводящие к возникновению главного события (аварии): - для механизма подъема - это падение грузозахватного устройства, в зоне нахождения рабочих и транспортных средств; - для механизма поворота - это вращения крана, приводящее к инерционному движению грузозахватного устройства и последующие за этим удары по транспортным средствам или по металлоконструкции крана; - для механизма изменения вылета - это падение стреловой системы и последующее столкновение с транспортными средствами, находящимися в зоне работы; - для механизма передвижения возможные аварийные ситуации при работе крана вследствие отказа элемента или группы элементов привода не выявлены.
Затем, для оценки риска строится дерево неисправностей в виде взаимосвязей отказов входящих элементов или групп элементов. Механизм подъема Дерево неисправностей привода механизма подъема (рисунок 3.4) состоит из группы элементов, для которых главным событием (Ппод) является неконтролируемое опускание (падение) грузозахватного устройства, в зоне нахождения рабочих и транспортных средств. Аварийная ситуация может произойти при одновременном возникновении событий по отказу привода механизма (П1) и нахождению груженого грузозахватного устройства над рабочей зоной (пі). Оба события соединены логическим оператором «и». В свою очередь, отказ механизма может произойти вследствие или отказа (обрыва) каната (п2), или отказа редуктора (Ш1), или отказа муфты с тормозом (П12). Отказ редуктора может быть вызван или отказом зубчатой передачи (п4), или вала (п5). Отказ муфты с тормозом произойдет при одновременном отказе отказом муфты (П13) и тормоза (пЗ), а отказ муфты -при отказе пальцев (пб) или шпонки (п7).
Модель количественного метода оценки риска
Процесс создания конечно-элементных моделей кранов заключен в последовательном использовании нескольких программных сред, в частности, AutoCAD и АРМ Win Machine. а) Стержневые модели Начальным этапом работы со стержневыми моделями является создание правильной базовой стержневой модели, так как некорректно отрисованная базовая модель может стать причиной неверного расчета для всех последующих расчетных случаев. Базовая стержневая модель портального крана - конечно-элементная модель, созданная при максимальном вылете для варианта работ судно-склад (поперечное расположение стрелы относительно крановых путей). Модель отрисовывалась в стержневом варианте в программной среде AutoCAD с последующим переносов в АРМ Win Machine.
В АРМ Win Machine при имитации элементов металлоконструкции стержневой модели, стержни либо направляли по осям, соответствующих элементов, либо - вдоль линии, соединяющей эти шарниры (если элемент соединен с другими элементами шарнирно). Сечения сложной формы заменяли эквивалентными коробчатыми по принципу равенства моментов инерции относительно главных центральных осей. Для учета изменения жесткости отдельных несущих элементов по длине эти элементы разбивали на характерные участки, от количества которых зависит точность отрисовки конечной модели. Сечения характерных участков определены как средние между сечениями на концах участка, а их ориентация соответствует реальной конструкции.
Для задания сечений стержням использована библиотека сечений со стандартными профилями металлопроката. Применительно к портальным кранам во множестве случаев невозможно подобрать стандартный профиль, для чего было необходимо в программном приложении АРМ Structure 3D вручную создавать необходимое сечение. В качестве примера, на рисунке 4.6 представлено сечение опоры портала.
Для создания моделей программе Auto Cad была воспроизведена точная копия металлоконтрукции крана по рабочим и сборочным чертежам, в стержневом, а затем в пластинчатом вариантах с удалением стержневой основы. Полученная модель с помощью переходного файла в формате dxf экспортировалась в АРМ Win Machine, где продолжалась ее дальнейшая отрисовка. Пластинчатая модель разбивается на конечные элементы, причем картина напряжений в местах исследования, зависит от степени разбиения конструкции на конечные элементы. Для достижения оптимальных результатов расчета использовалось два вида разбиения: на треугольные элементы и на прямоугольные элементы.
Как показали исследования, разбиение на треугольные элементы оказалось предпочтительнее. Однако, в зависимости от поставленной задачи и при отрисовке сложных составных конструкций удобнее использовать комбинированное разбиение. Так в больших составных конструкциях пластинчатой модели делалось не сложное разбиение на прямоугольные с детализацией в местах стыковки из треугольных элементов. При состыковке отдельно отрисованных элементов металлоконструкции для пластин сложной формы подбирались индивидуальные варианты разбиения. При совмещении отдельных элементов металлоконструкции осуществлялся поиск несвязных узлов. Пример сложного разбиения узлового элемента портала представлен на рисунке 4.7.
Основная металлоконструкция портальных кранов моделировалась пластинчатыми элементами, за исключением стрелы и опорной балки портала, имеющих ферменную конструкцию; они представлены в виде стержневых элементов. Наличие в АРМ базы прокатной продукции, с расчетными характеристиками каждого изделия ускоряет отрисовку модели и повышает точность расчетов. Для имитации опорных катков механизма поворота крана Ганц 5/6-30 тип Е использовались стержневые конечные элементы, работающие только на растяжение-сжатие. Опорные катки механизма поворота крана Альбрехт 10/20-32/16 созданы на основе solid-элементов.
Уровень напряжений трещиноопасных элементов металлоконструкции оценивается по подробным конечно-элементным моделям участков из пластин или solid-элементов. Процесс создания участков аналогичен процессу создания металлоконструкции крана, за исключением применения более подробной конечно-элементной сетки при разбиении пластинчатых или solid элементов. Величины нагрузок, прикладываемые к рассматриваемым участкам, берутся с созданных стержневых моделей портального крана. Возможности АРМ Win machine позволяют снять значения величины усилий с любой узловой точки металлоконструкции.
При значительном снижении детализации стержневых моделей расширились возможности для работы, и появилась возможность выбора таких положений и комбинаций внешних сил, при которых интересующие участки металлоконструкции оказались наиболее нагружены.
Отрисовка моделей крана по стержневому варианту выявила несколько преимуществ по сравнению с комбинированным вариантом: - уменьшилось время, затрачиваемое на создание конечно-элементной модели; - стало более доступным изменение модели металлоконструкции крана для расчета всех рабочих положений, что дает возможность выбрать такое положение, где дефектный участок будет наиболее нагружен; - появилась возможность для быстрой и точной оценки нагруженное заданного дефектного участка металлоконструкции, созданного дополнительно в пластинах или solid элементах.
Этапы создания расчетных конечно-элементных моделей
Данные интенсивности отказов элементов привода механизма подъёма взяты из справочных и литературных источников [15, 85, 86], определённых для элементов механизма подъёма полярного мостового крана: О 1 - интенсивность отказа (обрыва) каната (п2) А-2=1,45в10" ч"; о - интенсивность отказа вала вследствие дефекта материала (п4) А-4=1Д4в10" ч ; - интенсивность отказа вала вследствие дефекта конструкции (п5) Х-2=1,14 -и ч ; - интенсивность отказа быстроходной муфты привода по совокупности дефектов (П13) 3=0,3-10 6 ч1; -интенсивность отказа тормоза (пЗ) по совокупности дефектов Я,з=6,065»10" ; - вероятность нахождения транспортных средств в зоне работы крана Qn определялась с использованием циклограммы работы крана по формуле (48) и составляет Qnl= 0,851 (приложение Б, п.3.2.3). При построении циклограммы составлялся расчетный алгоритм (приложение Б), для чего определялись характерные точки цикла (начало подъема, совмещение подъема с поворотом, разгрузка) и временные интервалы операций (подъема, поворота, торможения, «эффект балерины» и др.) Всего для определения полного времени цикла Тц использованы 10 временных интервала, а для определения времени, в течение которого грузозахватное устройство крана находится в опасном положении Топ (в трюме судна, над вагоном, вблизи рубки) - более 60. Расчет проводился на ЭВМ. Вероятность определялась следующим образом:
Дерево неисправностей механизма поворота портального крана Альбатрос 10/20-32/16 представлено на рисунке 5.2 и состоит из следующих событий: - Ппов - вращение крана, приводящее к инерционному движению грузозахватного устройства и последующие за этим удары по транспортным средствам или по металлоконструкции крана (главное событие); - П2 - отказ механизма поворота;
Дерево неисправностей привода механизма поворота портального крана Альбатрос 10/20-32/16: а - символы клапанов, б - дерево неисправностей Данные для оценки вероятности безотказной работы вала редуктора P„n(t) получены физико-механическим методом по проведенной выше модели «нагрузка-прочность». Результаты получены с осциллограмм действующих напряжений вала редуктора в реальных условиях эксплуатации [84]. Тензометрические датчики были наклеены в средней части валов между подшипниками качения. Обработка результатов эксперимента (рисунок 5.3) проводилась методом полных циклов.
Для построения дифференциальной функции нормального закона распределения действующих напряжений принималось среднее значение действующих напряжений, полученное при обработке осциллограмм. Для построения дифференциальной функции нормального закона распределения предела текучести принималось среднее значение предела текучести.
Риск движения груженого грузозахватного устройства в рабочей зоне также определялся по циклограмме приложения Б, для чего также был использован расчетный алгоритм приложения Б. Полученное значение составляет Qn8=0,019 (приложение Б, п.3.3). Данные наработки на отказ элементов привода механизма поворота также взяты из источников [15, 85, 86]. Получены следующие значения рисков эксплуатации механизма поворота:
Риск эксплуатации механизма изменения вылета стрелы, в связи с отсутствием необходимых данных, был принят равным большему значению из полученных для механизмов подъема и поворота и составляет:
Для оценки риска электрооборудования в рамках настоящей работы также был выбран механизм поворота. При проведении оценки риска элементов оборудования применен количественный анализ риска с использованием дерева неисправностей.
В ходе структурного анализа электрооборудования механизма подъема определены причинные взаимосвязи событий наступления аварийной ситуации. Выяснено, что дерево неисправностей на рисунке 3.8 и расчетные формулы остаются типовыми.
Исходные данные по надежности рассматриваемых элементов электрооборудования выбраны из справочных источников: - интенсивность отказов контактора тормоза (еб) Л.б=5,49»10" ч"1 [69, стр.34]; - интенсивность отказа реле реверсивного поворота (е7) А,7=0,3»10" ч" [70, таблица 12]; - интенсивность отказов блока аварийного выключения (ез) по причине отказа воздушного автоматического выключателя X3j=16»10"6 ч"1 и контактора А,3_2=22»10" ч"1 [71, таблица 2.7];
Для определения вероятности безотказной работы каждого элемента металлоконструкции, имеющего повреждения и дефекты, применена модель «нагрузка-прочность» (см. п. 3.3.4). Данные напряженного состояния этих участков приведены в таблице 5.5. Дефекты определялись по результатам диагностического обследования портального крана Альбатрос 10/20-32/16 зав. №9905, экспл. №ПАЛ 57.
На основании полученных результатов в соответствии с п.3.3.4 определены значения вероятности отказа каждого элемента металлоконструкции. Расчет выполнялся на основании математического эксперимента, проведенного при помощи программного модуля MathCAD с использованием метода Monte Carlo.
