Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния портовых кранов 5
1.1. Результаты работы портовых кранов с гибкой подвеской... 5
1.2. Обзор существующих конструкций и эксплуатационная эффективность успокоителей раскачивания груза и разворотчиков грузозахватного органа на портовых кранах 7
1.3. Анализ литературы в области успокоения раскачивания груза на гибкой подвеске при работе кранов 22
Глава 2. Составление математической модели движения груза на гибкой подвеске при работе крана (с успокоителем и без него) 34
2.1. Выбор обобщенных координат. Допущения. Определение кинетической энергии крана при переносе груза 34
2.2. Составление уравнений Лагранжа второго рода 48
2.3. Анализ движения груза на гибком подвесе при работе портального* крана с учетом использования механизма успокоения 51
Глава 3. Теоретическое исследование характера раскачивания груза с использованием ЭВМ 57
3.1. Анализ параметров портовых кранов и выявление геометрических соотношений для определения функций для поворота и изменения вылета 57
3.2. Заданные функции системы КРАН-ГРУЗ 58
3.3. Результаты решения математической модели на ЭВМ 69
3.3.1. Кран Альбатрос 69
3.3.2. Кран Кондор 72
3.3.3. Кран Альбрехт 75
3.4. Обсуждение результатов решения уравнений на ЭВМ и анализ результатов при использовании различных форм заданных функций 79
Глава4. Разработка рациональных успокоителей-разворотчиков груза. Экспериментальные исследования 84
4.1. Перспективные схемы успокоителей-разворотчиков груза для портовых кранов 84
4.2. Экспериментальные исследования предлагаемого успокои-теля-разворотчика 93
4.3. Сравнение результатов успокоения раскачивания груза, полученных расчетами на ЭВМ и натурными испытаниями 99
4.4. Изучение взаимосвязи колебаний груза, подвешенного на грузовых канатах и площадки, на которой смонтирован механизм успокоителя 102
4.5. Практические рекомендации 110
Экономическая эффективность 114
Заключение. 117
Список литературы 122
Приложения 141
- Обзор существующих конструкций и эксплуатационная эффективность успокоителей раскачивания груза и разворотчиков грузозахватного органа на портовых кранах
- Анализ движения груза на гибком подвесе при работе портального* крана с учетом использования механизма успокоения
- Обсуждение результатов решения уравнений на ЭВМ и анализ результатов при использовании различных форм заданных функций
- Сравнение результатов успокоения раскачивания груза, полученных расчетами на ЭВМ и натурными испытаниями
Введение к работе
Современный порт является крупным транспортным предприятием, в котором сходятся водные, железнодорожные и автомобильные пути, осуществляется перевалка грузов с одного вида транспорта на другой, а так же — комплексное обслуживание флота. Оснащение порта различными грузоподъемными машинами обеспечивает высокую интенсивность загрузки-разгрузки судов, вагонов и складов. Однако, постоянно меняются условия эксплуатации кранов, появляются новые грузовые транспортные суда, растет уровень технической эксплуатации перегрузочной техники, повышается надежность их конструкций. Поэтому основными направлениями в развитии современного перегрузочного оборудования являются: разработка качественно новых и модернизация существующих подъемно-транспортных машин с целью автоматизации портовых перегрузочных процессов; уменьшение массы машин при одновременном повышении их качества (надежности в работе и долговечности) путем разработки оригинальных конструкций; применение автоматических и полуавтоматических грузозахватных устройств, автоматических приборов управления и контроля, способствующих повышению производительности машин, снижение нагрузок на несущие конструкции и механизмы, безопасности и облегчению условий труда.[19], [151]
Одним из решений поставленных задач является создание разворотчика-успокоителя грузозахватного органа. Он должен удовлетворять единым требованиям, основными из которых являются следующие: гашение маятниковых колебаний должно осуществляться автоматически и удерживать грузозахватный орган в вертикальной оси, усилие в канате должно поддерживаться непрерывно и возрастать при движении груза в сторону увеличения вылета, а так же конструкция должна иметь устройство для ускоренного успокоения раскачивания груза. Другие требования больше относятся к геометрическим параметрам успокоителя, ремонтным и эксплуатационным характеристикам, но то же имеют решающее значение в выборе конструкции. Использование успокоителя позволяет увеличить производительность перегрузки, а так же уменьшить динамические нагрузки на механизмы поворота и изменения вылета стрелы, металлоконструкцию стреловой системы и поворотной части портального крана.
Основным фактором раскачивания груза являются несовершенные способы управления механизмами крана крановщиками. Все это приводит к повреждению трюмов судов, вагонов, автотранспорта и перегружаемого груза.
Рассматриваемое устройство призвано значительно улучшить условия безопасности для портовых рабочих, так как не все машинисты портальных кранов обладают необходимым опытом работы на перегрузке тарно-штучных грузов.[35] Тяжелые условия труда, особенно в ночную смену, постоянная ответственность за правильную эксплуатацию грузоподъемных машин, обеспечение з сохранности груза и безопасности людей приводит к переходу докеров-механизаторов на другое место работы. Приходящие на их место новые крановщики не имеют достаточного опыта и, стремясь успокоить раскачивающийся груз, включают и выключают механизмы, увеличивая число нагружении узлов и деталей, резко снижая их долговечность. Поэтому использование успокоителя раскачивания груза на кране должно решить не только техническую, но и кадровую проблемы. [55]
В данной работе, состоящей из четырех глав, были проведены: анализ современного состояния работы портовых кранов, оценены результаты влияния гибкой подвески крана, проведен анализ литературы в области успокоения раскачивания груза; разработана новая математическая модель портального крана с успокоителем-разворотчиком; теоретическое исследование с использованием ЭВМ характера раскачивания груза; разработана новая конструкция успокоителя-разворотчика с проведением экспериментальных исследований.
К достижениям настоящего исследования можно отнести: разработана новая математическая модель портального крана с успокоителем-разворотчиком; получены на основе результатов теоретических исследований практические рекомендации по систематическим расчетам конкретных углов отклонений грузовых канатов эксплуатируемых портальных кранов (их количество только на речном транспорте составляет более 1.500 единиц); разработан новый метод натурных испытаний портальных кранов с определением углов отклонения канатов от вертикали для сопоставления с расчетными данными, полученными с применением ЭВМ; получен Патент на изобретение №2209761 от 10.08.03г. в Федеральном Институте Промышленной Собственности (ФИПС) на разработанную в диссертации новую конструкцию успокоителя раскачивания груза; создан новый метод расчета успокоителя.
Решением проблемы гашения колебаний груза на гибкой подвеске занимался ряд специалистов, предлагаемые ими конструкции имели достоинства и недостатки. Однако поставленная задача ими была не решена. Поэтому данная работа представляет собой еще один шаг к достижению цели-высокопроизводительной, надежной и безаварийной работе портовых портальных кранов.
Обзор существующих конструкций и эксплуатационная эффективность успокоителей раскачивания груза и разворотчиков грузозахватного органа на портовых кранах
Анализ материалов по способам гашения колебаний груза и конструкциям успокоителей для поворотных стреловых кранов показывает, что в зарубежных и отечественных патентах [102] использовано при различном конструктивном исполнении , в основном, три принципа успокоения раскачивания груза: регулирование скорости точки его подвеса; применение канатной "пирамиды" с разнесением концевых блоков хобота или стрелы и созданием предварительного угла отклонения каната от вертикали; применение вспомогательных канатов, соединяемых с грузом, с созданием разницы усилий Р в них при раскачивании груза в одну и другую стороны.
Реализация принципа гашения колебаний груза регулированием скорости перемещения точки его подвеса связана с разработкой конструкции датчиков угла [65], [122],[123] или скорости отклонения грузовых канатов от вертикали, а также изменение конструкции тормоза механизма изменения вылета стрелы крана и осуществляется за счет изменения величины тормозного момента механизма пропорционально углу или скорости отклонения груза от вертикали.[11], [26], [40], [50], [53], [66], [107], [110], [113], [114]
Данный принцип достигает положительного результата, но для этого требуется своевременность срабатывания датчиков. Их конструкция должна выдерживать вибрацию и агрессивное воздействие окружающей среды. Изменение конструкции тормозной системы влечёт за собой увеличенное количество комплектующих деталей, что в свою очередь увеличивает вероятность отказа.
Унифицированные тормозные системы крановых механизмов позволяют хранить на складе небольшое количество сменно-запасных частей, тогда как изменённая конструкция потребует расширения ассортимента складских ресурсов.[18] Но самым главным недостатком является то, что обслуживание рассматриваемых устройств требует квалифицированного персонала и частой регулировки, так как на работу крановых механизмов оказывают влияние многочисленные отрицательные факторы (обледенение и замасливание тормозных шкивов, попадание пыли в датчики при перегрузке минерально - строительных грузов и т.д.).
Другой принцип гашения раскачивания груза, подвешенного на канатной "пирамиде" с искусственным созданием угла отклонения грузового каната от вертикали, с вершиной у груза на кранах в речных портах в данное время не применяется. Зарубежные фирмы используют этот принцип для успокоения раскачивания штучных грузов и крупнотоннажных контейнеров при перегрузке их портальными кранами. Применение «канатной пирамиды» для грейферных кранов без специальных приспособлений исключается из-за невозможности выравнивания длин поддерживающих канатов. Поэтому использование «канатной пирамиды» на портовых грейферных кранах связано с разработкой специальной подвески грейфера. Её применяют на практике на кранах с четырьмя грузовыми канатами, так как при двухканатной системе полезного эффекта не получается. Это происходит потому, что при работе с грейфером в порожнем состоянии один из канатов (замыкающий) полностью ослаблен, а при работе с крюком оба каната перекатываются по уравнительному блоку, не обеспечивая тем самым увеличение удерживающей силы в одном из канатов [40], [41], [93]
Принцип успокоения раскачивания груза с вспомогательными канатами в плоскости стрелы, соединяемыми с перемещающимися вдоль стрелы или на поворотной платформе контргрузами, известен давно. Как показывает опыт эксплуатации кранов с такими успокоителями, раскачивание груза, то есть амплитуда колебаний и быстрота их затуханий, практически те же, что и без контргруза. Кроме того, наличие перемещающегося по стреле груза вызывает увеличение массы противовеса стреловой системы и утяжеление конструкции поворотной части. Наибольшее время при повороте и изменении вылета стрелы груз находится подтянутым к крану и наибольшее отклонение груза от вертикали также происходит в сторону уменьшения вылета. Контргруз уменьшает амплитуду колебания груза в одну сторону (от крана) и увеличивает ее в направлении уменьшения вылета. Применение такого успокоителя оправдано тем, что он оказывает сопротивление кручению грейфера за счет натяжения в двух вспомогательных канатах, соединяющих контргруз успокоителя с грейфером [6], [47], [62]
Анализ движения груза на гибком подвесе при работе портального* крана с учетом использования механизма успокоения
При работе портального крана раскачиваюшийся на канатах груз постоянно воздействует на оттяжной канат успокоителя. В момент срабатывания механизма успокоения в оттяжном канате возникает дополнительное усилие, которое вызывает растяжение каната. Для нахождения величины удлинения каната воспользуемся расчетной схемой (рис.19). Будем считать, что все канаты предварительно растянуты весом грузозахватного органа ( например грейфера ) в пределах закона Гука. После включения механизма успокоения груз проходит некоторое расстояние равное -C Stnc/pVi-o/a . В связи с практически мгновенным срабатыванием механизма успокоения примем допущение, что длина дуги окружности, по которой двигался груз, равна длине хорды.
Отсюда можно записать Разделим в ( 28 ) первое выражение на второе и с учетом преобразований получим Отсюда определим Умножим числитель и знаменатель на J- & ± и получим Полагая, что квадрат отношения деформации растяжения каната успокоителя к его длине приближенно равным нулю, имеем Член р -чр имеет второй предел малости по Л и приближенно можно считать Введем допущение, что грузовые канаты отклоняются от вертикали на угол не более 20. Поэтому имеем ( 32 ) Из рис.20 находим Выражение (33) показывает, что по сравнению с восстанавливающей силой от веса груза при его раскачивании сила упругости, вызываемая отклонением, имеет второй порядок малости. Обычно уравнение колебаний груза записывают в виде где Fjp - сила трения в блоках и механизме успокоения; CJ -угловая скорость поворотной части; В -коэффициент сопротивления раскачивания груза. Рассмотрим влияние механизма успокоения на величину наибольшего, отклонения канатов от вертикали. Допустим, что грузу сообщается некоторая порция возмущающей энергии и он начал раскачивание на гибком подвесе. Величину этой энергии принимаем одинаковой как для случая с успокоителем, так и без него. Без успокоителя возмущающая энергия в момент наибольшего отклонения переходит в энергию подъема груза.
Поэтому с учетом рис.13 можно написать гдеО , - наибольший угол отклонения каната от вертикали без использования успокоителя. Заменяем 60S ОІт в ( 35 ) его приближенным значением Отсюда При наличии механизма успокоения часть энергии расходуется на растяжение оттяжного каната и преодоление сил сопротивления в демпфирующем устройстве. где о/т - наибольший угол отклонения каната от вертикали при использовании успокоителя; Т - усилие в канате необходимое для преодоления сопротивления в блоках, жесткости канатов при переходе через блоки и демпфирующего устройства успокоителя; bl.- удлинение оттяжного каната при остановке механизма успокоителя. Воспользуемся (33 ) для Atj и находим: Приравниваем Э1 и Эг и с учетом дополнительных преобразований получаем Анализируя полученное выражение можно сделать вывод, что при использовании механизма успокоения часть кинетической энергии раскачивающегося груза переходит в потенциальную энергию, затрачиваемую на растяжение оттяжного каната Ди= С-Ы/п т+ м и преодоление усилия сопротивления демпфирующего устройства 7 . Глава 3. Теоретическое исследование характера раскачивания груза с использованием ЭВМ
Обсуждение результатов решения уравнений на ЭВМ и анализ результатов при использовании различных форм заданных функций
Для решения на ЭВМ известны заданные функции при которых получается наибольшая производительность крана. Эти зависимости особенно Q-Cifi) получены на основе анализа и синтеза статистических данных работы лучших крановщиков. [120] За основу затрат времени в цикле взята П-D/Sf J,поскольку чаще всего наибольшее время при переносе груза и возврате обратно занимает суммарное время поворота крана. Поэтому для изучения отклонений грузового каната от вертикали можно представить себе виртуальный, типовой цикл работы крана, при котором после решения уравнений движения крана получаются определенные значения фффїі) o dfd) d ct i) . Для этого принимаем, что Хо=0 и Yo=0 , что соответствует жесткому закреплению портала (без передвижения вдоль рельс) во время переноса груза. Задача составления машинной программы состояла в расчете определений на компьютере координат груза в пространстве и во времени. Сначала координаты груза определяются для каждого момента времени ( с принятием заданного интервала ) по заданным значениям угла поворота крана. Вылет стрелы определяется из условия оптимального цикла крана, а также для заданных высот подъема груза (для переноса груза из судна на склад, вагон и обратно). Таким образом, после определения координат груза с учетом длины подвеса необходимо определить углы отклонения грузового каната от вертикали. [9], [27], [77], [108],[118],[146]
Для решения поставленной задачи использовалась система MATHCAD 2001 с шагом h=0,05 сек. (Таблица 3, Приложение 2 ) Чтобы обеспечить наглядность изменения dJt) c(t)f x (t) c (t) при различной длине подвеса и усилии в канате успокоителя были выбраны три портальных крана производства ГДР. Этими кранами являются: «Альбатрос», «Кондор», «Альбрехт». Принимаем так же для них одинаковые условия: на грузовых канатах подвешен груз массой 10 тонн; углы поворота крана /=0,5 71,2 =2 тс/3; длина подвеса с изменяется в пределах от 15м до 30м; вылет стрелы равен 15м; усилие в канате успокоителя Р изменяется от 0 до 1,5 Кн; ускорение земного притяжения ?г=9,8м/с2; текущий угол для первого и второго канала ( /р и сС%) изменяется по закону:
Остальные параметры: скорость изменения вылета стрелы, ускорение изменения вылета стрелы и скорость вращения поворотной части принимаются по паспортным данным .
Анализируя полученные результаты теоретических исследований можно сделать выводы: а одинаковый промежуток времени наибольший угол раскачивания груза в плоскости стрелы ( оСр) оказался у портального крана «Альбатрос» ofp =0,27 град, что на 26% больше, чем у портального крана «Кондор» и на 25% больше, чем у портального крана «Альбрехт». Это объясняется тем, что скорость изменения вылета стрелы крана «Альбатрос» больше на 37% и 38%, чем у кранов «Кондор» и «Альбрехт» соответственно, поэтому при включении механизма вылета стрелы точка подвеса груза у него успевает пройти большее расстояние, чем на других кранах, и отклоняет грузовые канаты на больший угол. Краны «Альбрехт» и «Кондор» и их механизмы имеют одинаковые параметры. В плоскости, перпендикулярной стреле наибольшее отклонение грузовых канатов от вертикали оказалось у кранов «Альбатрос» и «Альбрехт» ( Ыг =Ю граД- что на 25% больше, чем у крана «Кондор»). Это объясняется тем, что у них скорость вращения поворотной части больше на 38%, чем у крана «Кондор». 2.3а одинаковый промежуток времени и при одинаковой длине подвеса груза после приложения усилия в канате успокоителя до 1,5 кН наибольший угол раскачивания в плоскости стрелы возникает у крана «Альбатрос» (cL а =0,15 град, что на 67% и на 66% больше, чем других рассматриваемых кранов ). Этот результат объясняется первоначальным большим углом отклонения канатов (см. пункт 1 ). С увеличением усилия в канате успокоителя угол отклонения канатов от вертикали изменяется практически на одинаковую величину (Ао/р -0,13 град) у всех кранов. Изменение с изменением усилия в канате успокоителя получается очень незначительным и поэтому здесь не приводятся. Успокоение раскачивания груза в плоскости стрелы является основополагающим моментом в решении проблемы успокоения раскачивания груза при работе крана. Наиболее приемлемым усилием в канате для указанных выше кранов оказывается величина, равная Р=1,5 кН. При этом значении Р величина Ыо начинает резко падать ( таблица 3, Приложение 2). Увеличение усилия Р в канате нежелательно, так как в противном случае при обратном движении раскачивания груз оказывается подтянутым к стреле. Кроме того, при увеличении Р потребуются значительные усилия для отсоединения канатов успокоителя от грузового органа. 3.3а одинаковый промежуток времени и постоянном усилии в канате успокоителя при изменении длины подвеса от 15 м до 30 наибольший угол отклонения грузовых канатов от вертикали в плоскости стрелы оказался у крана «Альбатрос» (оІр =0,23 град, что на 30% больше, чем у крана «Кондор» и на 29% больше, чем у крана «Альбрехт»),а в плоскости, перпендикулярной стреле - у кранов «Альбатрос» и «Альбрехт» (dt =10 град, что на 60 % больше, чем у крана «Кондор»). Объяснение подобных выводов указаны в п. 1.Увеличение длины подвеса в данном случае на всех кранах приводит к постепенному плавному уменьшению угла отклонения грузовых канатов от вертикали как в плоскости стрелы, так и в плоскости, перпендикулярной стреле (4о 056-0,4 град ис( 5-2 град) (таблица 3, Приложение 2). У кранов «Альбатрос» и «Альбрехт» при увеличении длины подвеса затухание колебаний в плоскости стрелы происходит быстрее, чем у крана «Кондор»на 60 %, так как подвешенный на гибких канатах груз имеет меньшую массу и обладает меньшей инерцией.
Сравнение результатов успокоения раскачивания груза, полученных расчетами на ЭВМ и натурными испытаниями
Для проверки результатов, полученных расчетным путем, были использованы портальные краны « Альбатрос», «Кондор» и «Альбрехт», установленные на причалах Московского Южного речного порта.
При проведении опытов поворотная часть крана устанавливалась стреловой системой по направлению вдоль подкрановых путей. Точка отсчета (ось вращения крана) определялась следующим образом. Из центра опорно-поворотного устройства опускался пеньковый канат с подвешенным грузом и в точке касания земли устанавливался репер. Центром опорно-поворотного устройства на кране «Альбрехт» является ось вращения крепежной гайки центральной цапфы, а на кранах «Альбатрос» и «Кондор»-центр окружности подпятника.
К свободно натянутым грузовым канатам неподвижно фиксировалась малярная кисть, предварительно погруженная в масляную краску желтого цвета. Вылет стрелы для всех кранов был выбран 15м, так как является наиболее часто используемым при работе. Расстояние равное вылету стрелы откладывалось при помощи рулетки. Перпендикулярно подкрановым путям на расстоянии 20м был уложен деревянный брус 150x150x6000мм с закрепленным бумажным полотном (рис.61) для обеспечения возможности многократного проведения опыта.
Во время проведения эксперимента кран поворачивался на 90е, и при прохождении грузовых канатов над брусом кисть оставляла желтый след на его поверхности. После замера расстояния от репера до метки и, зная высоту подвеса груза, был определен угол отклонения каната от вертикали.
Для получения чистоты эксперимента каждый замер проводился по десять раз и в таблицу сведено среднее значение. Во избежание влияния ветровых воздействий все работы проводились при скорости ветра 3-5 м/сек. Сравнительные результаты занесены в таблицу (таблица 4, Приложение 2).
Данные, полученные расчетным путем, определялись для длины подвеса равной 15м. На реальных портальных кранах высота подвеса различная в силу конструктивных особенностей. Для сравнения результатов эксперимента и расчета были использованы отношение гипотенузы к катету, полученные в результате натурных испытаний. (рис.62) Величина отклонения грузового каната от вертикали определялась графическим путем.
В результате сравнительного анализа можно сделать вывод, что экспериментальные данные отличаются от расчетных не более чем на 10%. Это является подтверждением правильного выбора методики расчета и достоверности полученных результатов.
У портального крана в результате постоянного движения точки подвеса и изменения длины подвеса груз совершает движение по сложной траектории, вызывая отклонение грузовых канатов от вертикали. Вместе с грузозахватным органом движется и оттяжной канат успокоителя грейфера, который одним концом закреплен на подвижном противовесе, передвигающегося вертикально вдоль направляющих, а другим - на грузозахватном органе. [7], [56], [104], [136]
Из приведенных в главе 1.2. технических требований известно, что усилие в оттяжном канате не должно превышать 25-К30 кГс, чтобы можно было отсоединить канат от грейфера вручную, но в то же время оно должно быть достаточным для выбирания слабины каната при движении груза в сторону уменьшения вылета. Выявление величены усилия в оттяжном канате необходимо для выбора узлов механизма успокоения, а так же для решения уравнения колебаний площадки с установленным оборудованием успокоителя. Для определения усилия в оттяжном канате целесообразно ввести следующее допущение. (рис.63,64)
Считаем, что грузозахватный орган поднят над поверхностью земли настолько, что угол между оттяжным канатом и горизонтальной осью, проходящей через точку крепления каната к органу ничтожно мал, поэтому будем считать, что в треугольнике ABC гипотенуза АВ равна катету ВС. Учитывая рис.64 условие равновесия (2i[j=0) можно записать в виде то+В СозЫ + P C0s(9Oo-ot) =0 ( 51 )
Проекция силы то на ось У равна нулю и используя ранее принятое допущение (стр.38) получаем выражение Имея Р из ( 53 ), можно найти усилие в опоре барабана, вокруг которого в несколько витков намотан канат, присоединенный другим концом к подвижному противовесу. Из главы 4.1 (стр.88) известно, что данный противовес необходим для выбирания гибкого каната при движении груза в сторону уменьшения вылета стрелы. Влияние на величину усилия в оттяжном канате он не оказывает, т. к. усилие от противовеса компенсируется на барабане за счет силы трения и силы сжатия канатом поверхности барабана. Реакция в опоре барабана определяется из [17] (рис.68) на основе известных методов и принятых здесь обозначений где Q - угол обхвата барабана канатом успокоителя.
