Введение к работе
Актуальность темы исследования. Гидравлические крано-манипуля-торные установки (КМУ) получили широкое распространение благодаря своей универсальности. Их используют с различными типами навесного оборудования: крюками, грейферными захватами, грузоподъемными электромагнитами, захватами для труб, бочек, бревен, люльками для подъема людей и другими; устанавливают на седельные тягачи, бортовые автомобили, гусеничные машины, железнодорожную технику и плавучие средства. С помощью кранов-манипуляторов выполняют доставку материалов на строительные площадки, механизируют погрузочно-разгрузочные, транспортные и складские работы, производят строительство трубопроводов, дорог, зданий и сооружений; их используют при добыче сырья и полезных ископаемых, а также для устранения последствий чрезвычайных происшествий.
В 2000-х годах наблюдался стремительный рост российского рынка гидравлических манипуляторов, который был прерван последствиями мирового финансового кризиса 2008 г. Однако уже к 2013 г. объем производства российских манипуляторов приблизился к докризисному значению, а объем импорта превысил наибольший показатель предыдущих лет (7981 шт. в 2007 г.) на 11% (рис. 1). Таким образом, на протяжении 2000-х и в начале 2010-х годов гидравлические краны-манипуляторы являлись востребованным видом грузоподъемного оборудования в нашей стране.
а) б)
Рис. 1. Объем российского рынка гидроманипуляторов: а – производство в 2008-2012 гг., штук; б – импорт в 2005-2012 гг., штук
Учитывая, что срок службы КМУ составляет ориентировочно 10 лет, то в ближайшие 2-3 года капитального ремонта и модернизации потребуют более 10 тысяч российских манипуляторов, выпущенных на пике производства в 2007-2008 гг., а также порядка 10 тысяч импортных манипуляторов, существенная часть которых на момент ввоза в Россию была старше 10 лет (в 2010 – 1 кв. 2012 гг. доля таких гидравлических манипуляторов составляла 83-89% от всех импортируемых подержанных КМУ). Кроме того, отечественные производители гидравлических КМУ имеют возможность в ближайшие годы увеличить долю собственного оборудования на российском рынке гидроманипуляторов, за счет роста цен на КМУ иностранного производства и политики импортозаме-щения, проводимой государством. В данных условиях создание новых и улучшение существующих методов расчета, применяемых при разработке, модернизации и ремонте гидравлических КМУ, являются особенно актуальными.
Важным инструментом при разработке, модернизации и ремонте гидравлических КМУ является прочностной анализ металлоконструкции. На этапе
проектирования он выполняется многократно, что связано с необходимостью оценить эффективность ряда предполагаемых конструкционных решений в различных сценариях работы КМУ. В связи с этим немаловажное значение приобретает скорость выполнения прочностного расчета, а также подготовки исходных данных и анализа получаемых результатов.
Используемые на практике аналитические методы расчета КМУ на прочность, как правило, выполняются в статической постановке и моделируют динамические нагрузки упрощенно с помощью коэффициентов динамичности. В тоже время, численные методы расчета позволяют при необходимости получить более достоверные результаты. Однако существенными недостатками обладают расчетные программные комплексы, в которых они реализованы (LMS, Simpack, MSC Adams). Среди них: отсутствие шаблонов для типовых элементов конструкций КМУ, усложняющее процесс создания расчетной модели, как правило, выполняемый многократно на этапе проектирования; отсутствие оптимизации алгоритмов решения под специфичные для КМУ задачи, приводящее к увеличению времени расчета; сложный пользовательский интерфейс, требующий обучения длительностью от нескольких десятков до нескольких сотен часов. Таким образом, разработка методики расчета на прочность, учитывающей динамические нагрузки, позволила бы повысить точность прочностного анализа по сравнению с классическими аналитическими методами. А ее реализация в программном комплексе, лишенном недостатков, свойственных современным расчетным программным продуктам, обеспечила бы повышение эффективности выполнения прочностного расчета в компьютерной среде на этапе проектирования гидравлических КМУ.
Цель работы — повышение эффективности прочностного расчета гидравлических КМУ в компьютерной среде за счет повышения точности с учетом влияния динамических нагрузок и сокращения времени, требуемого для выполнения процедур подготовки исходных данных и расчета.
Научная новизна работы.
1. Разработана комплексная математическая модель гидравлической КМУ
произвольной конфигурации, включающая в себя:
математическую динамическую модель;
упрощенную математическую прочностную модель, основанную на положениях теории тонкостенных стержней;
уточненную математическую прочностную модель, базирующуюся на методе конечных элементов (МКЭ).
математическую модель гидроцилиндра, учитывающую его фрикционные характеристики и ограничение скорости движения штока, связанное с параметрами подачи рабочей жидкости.
2. Разработаны модификации комплексной математической модели гид
равлической КМУ применительно к следующим случаям:
наличие повышенного люфта во вращательном сочленении КМУ, вы
званного процессами изнашивания;
эксплуатация КМУ на подвижном основании.
Практическая значимость работы.
-
Разработан комплекс взаимосвязанных расчетных методик для выполнения динамико-прочностного расчета КМУ произвольной конфигурации. Он включает в себя методики решения задачи динамики КМУ; определения напряжений в секциях КМУ с учетом положений теории тонкостенных стержней; вычисления напряжений в звеньях КМУ без телескопических секций с использованием МКЭ; оценки усилия, развиваемого гидроцилиндром, с учетом его фрикционных характеристик и ограничения скорости движения штока в зависимости от параметров подачи рабочей жидкости. В рамках методики определения напряжений в тонкостенных замкнутых стержневых элементах разработан алгоритм вычисления характеристик поперечного сечения стержня произвольной формы, необходимых для определения нормальных и касательных напряжений в нем.
-
Разработан и зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ программный комплекс для ЭВМ KBCrane (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2014614195 и № 2014614196 от 17.04.14 г.), позволяющий автоматизировать процессы создания расчетных моделей гидравлических кранов-манипуляторов, решения задач динамики и прочности, анализа полученных результатов.
-
Выполнено экспериментальное определение фрикционных характеристик одноштокового гидроцилиндра двустороннего действия. В разработанном программном комплексе произведено моделирование подъема данным гидроцилиндром стрелы с грузом, позволившее оценить влияние сил трения в гидроцилиндре на характер движения и нагруженность стрелы. Также в расчетном комплексе KBCrane выполнена серия динамико-прочностных расчетов КМУ мобильной машины АСТ-4-А, выявившая условия возникновения и области концентрации максимальных напряжений в металлоконструкции. Проведен ди-намико-прочностной анализ КМУ при наличии люфта в одном из сочленений, а также КМУ, работающей на плавучем средстве в условиях качки.
Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием апробированных методов теоретической механики, сопротивления материалов, строительной механики, теории упругости, конечных элементов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на IV и V Международных научно-практических конференциях «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2012 и 2013), XVIII и XIX Московской международной научно-технической конференции «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва, 2014 и 2015), VII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014), Международной научно-технической конференции «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (Могилев, 2014), X международной научной конференции «Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2015), а также на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные
машины и оборудование» БГТУ (Брянск, 2013, 2014, 2015) и кафедры «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014 и 2015).
Реализация работы. Разработанный программный комплекс принят к использованию в ООО «Промбезопасность» и в учебном процессе при подготовке специалистов на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Брянского государственного технического университета.
Публикации. По теме исследования опубликовано 16 работ (в том числе 2 в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 в зарубежных изданиях, индексируемых в базе SCOPUS, получены 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 253 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 172 страницах, содержит 73 рис., 1 табл.