Содержание к диссертации
Введение
1. Современные подходы к проектированию кранов манипуляторов 11
1.1. Конструкции кранов-манипуляторов 11
1.2. Условия эксплуатации кранов-манипуляторов 20
1.3. Оценка нагруженности и оптимизация кранов-манипуляторов 25
1.4. Выводы по главе 38
1.5. Постановка целей и задач исследования 39
2. Моделирование факторов нагруженности крана манипулятора машины для сварки трубопроводов 41
2.1. Факторы нагруженности крана-манипулятора 42
2.2. Методика численного моделирования факторов нагруженности крана-манипулятора 45
2.2.1. Моделирование методом статистических испытаний 45
2.2.2. Имитационное моделирование 48
2.3. Программный комплекс имитационного моделирования факторов нагруженности крана-манипулятора 58
2.4. Моделирование факторов нагруженности машины на примере ООО «Спецстрой» 60
2.5. Выводы по главе 63
3. Оценка нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов 65
3.1. Динамический анализ крана-манипулятора при поворотных движениях звеньев 67
3.1.1. Динамический анализ крана-манипулятора при поворотном движении рукояти 67
3.1.2. Динамический анализ крана-манипулятора при поворотном движении стрелы 77
3.1.3. Динамический анализ крана-манипулятора при поворотном движении колонны 87
3.2. Оптимизация крана-манипулятора 98
3.3. Динамический анализ крана-манипулятора при движении с грузом 104
3.3.1. Моделирование геометрической неровности опорной поверхности 105
3.3.2. Динамика движения машины для сварки трубопроводов 109
3.4. Выводы по главе 114
4. Исследование напряженно-деформированного состояния и динамической нагруженности крана манипулятора машины для сварки-трубопроводов методом конечных элементов 116
4.1. Методика расчета крана-манипулятора методом конечных элементов 117
4.2. Моделирование гидроцилиндров крана-манипулятора 122
4.3. Моделирование шарниров стрелы крана-манипулятора 125
4.4. Конечноэлементные модели крана-манипулятора 129
4.5. Влияние характерного размера конечного элемента на точность результатов и время расчета 144
4.6. Моделирование динамической нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора 147
4.7. Выводы по главе 148
5. Модернизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А 149
5.1. Повышение грузоподъемности крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А 150
5.2. Оптимизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А 154
Заключение 160
Список использованных источников 163
Приложения 178
Приложение 1. Документы на объекты интеллектуальной собственности 178
Приложение 2. Документы о внедрении результатов работы 179
Приложение 3. Комплекс вычислительных программ для ЭВМ 183
Приложение 4. Зависимости связи кинематических параметров гидроцилиндров и звеньев крана-манипулятора 184
Приложение 5. Моменты инерции элементов конструкции крана манипулятора 189
- Условия эксплуатации кранов-манипуляторов
- Имитационное моделирование
- Оптимизация крана-манипулятора
- Оптимизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы обусловлена тем, что гидравлические краны-манипуляторы являются широко распространенным видом технологического оборудования, используемым в газо- и нефтедобывающей отраслях, строительстве, лесной и металлообрабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве и дорожном строительстве. Поэтому результаты теоретических и прикладных исследований, направленных на повышение эффективности использования данного вида грузоподъемного оборудования, в настоящее время востребованы отечественной промышленностью.
Диссертационные исследования поддержаны государственным Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по госконтракту №8991 р/14117 от 01.04.11 «Универсальный гидравлический кран-манипулятор для транспортных машин, обслуживающих строительство магистральных нефте- и газопроводов».
Обьеісгом исследования является трехзвенный гидравлический кран-манипулятор транспортно-технологической машины для сварки трубопроводов (далее - кран-манипулятор).
Целью работы является повышение эффективности использования кранов-манипуляторов за счет увеличения грузоподъемности, расширения номенклатуры поднимаемых грузов, снижения мощности гидропривода на основе разработки инженерных методик расчета нагруженности, учитывающих индивидуальные условия эксплуатации, и методик, позволяющих оптимизировать геометрическую схему крана-манипулятора.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе положений и методов теории упругости, теоретической механики, теории вероятностей и случайных процессов, методов матричной алгебры, аналитической геометрии, статистических испытаний, конечных элементов.
Научная новизна работы.
-
Разработана динамическая модель для исследования динамики крана-манипулятора при движении его элементов (рукояти, стрелы, поворотной колонны), учитывающая особенности работы гидропривода (параметры подачи рабочей жидкости), переменность эксплуатационных, инерционных и ветровой нагрузок.
-
Разработана динамическая модель передвижения крана-манипулятора по стохастически неровной поверхности с подвешенным грузом, содержащая элементы базового шасси и металлоконструкции крана-манипулятора.
-
Разработана математическая модель оптимального проектирования геометрической схемы крана-манипулятора.
-
Разработана имитационная модель и методика численного моделирования факторов нагруженности крана-манипулятора.
На защиту выносятся:
1. Модель и методика численного моделирования факторов нагруженности крана-манипулятора с применением метода статистических испытаний и имитационного моделирования, методика построения блоков распределения факторов нагруженности на основе анализа проектной документации.
-
Динамическая модель для исследования динамики и нагруженности крана-манипулятора при движении его элементов.
-
Динамическая модель передвижения крана-манипулятора по стохастически неровной поверхности с подвешенным грузом.
-
Математическая модель и методика оптимального проектирования геометрической схемы трехзвенного гидравлического крана-манипулятора.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами натурных экспериментов и опытом эксплуатации трехзвенных гидравлических кранов-манипуляторов.
Практическая значимость работы.
-
Разработана методика моделирования факторов нагруженности трехзвенного гидравлического крана-манипулятора, учитывающая реальные условия эксплуатации и характеристики технологического процесса строительства.
-
Разработана методика динамического анализа трехзвенного гидравлического крана-манипулятора при изменении конфигурации стрелы, при передвижении с грузом по стохастически неровной поверхности.
-
Разработаны рекомендации по выполнению расчетов трехзвенного гидравлического крана-манипулятора методом конечных элементов. Разработаны упрощенные модели гидроцилиндров и шарниров стрелы крана-манипулятора, позволяющие снизить трудоемкость расчета без потери точности. Выработаны рекомендации по выбору в зависимости от толщины стенок стрелы крана-манипулятора характерного размера конечного элемента.
-
Разработана схема модернизации (с увеличением грузоподъемности) трехзвенного гидравлического крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов, учитывающая условия прочности и жесткости конструкции, а также рекомендации Ростехнадзора РФ. Разработанная конструкция защищена патентом на полезную модель.
-
Разработан комплекс программ для ЭВМ, позволяющих автоматизировать анализ факторов нагруженности, динамический анализ трехзвенного гидравлического крана-манипулятора и оптимизацию геометрической схемы крана-манипулятора.
Результаты выполненных исследований используются ООО «Промбезопас-ность» (г. Брянск) при экспертизе промышленной безопасности кранов-манипуляторов, ЗАО «Дизель-Ремонт» (г. Брянск) при производстве и модернизации кранов-манипуляторов машин для сварки трубопроводов, а также в учебном процессе на кафедре «Динамика и прочность машин» ФГБОУ ВПО «БГТУ».
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (Могилёв, Беларусь, 2011); Международной молодежной научной конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011); Международной научно-практической конференции ученых, аспирантов и студентов «Наука и современность» (Новосибирск, 2011); Международной заочной научной конференции «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); II и III Международных научно-практических конфе-
ренциях «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2010 и 2011); VIII Межрегиональной (международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2011) и др., а также на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «БГТУ» (Брянск, 2010 и 2011).
Публикации. Результаты исследований, включённые в диссертационную работу, изложены в 22 публикациях (в том числе в 5 статьях в журналах, рецензируемых ВАК), получен патент на полезную модель RU №104167.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка использованной литературы из 179 источника, приложений. Объем работы с приложениями - 197 с. Диссертация содержит 90 рис., 25 табл., 5 прил.
Условия эксплуатации кранов-манипуляторов
Большая часть подъемно-транспортной техники эксплуатируется в нестационарных условиях при воздействии на них переменных нагрузок различного происхождения со случайно меняющимися во времени количественными характеристиками. В их число входят все типы машин циклического действия, в частности, краны-манипуляторы [67; 144].
Под нагруженностью понимается состояние объекта, вызванное внешними воздействиями и условиями функционирования. Для элементов металлоконструкции крана основными характеристиками нагруженности являются внешние нагрузки или напряжения в опасных зонах, вызванные динамическими процессами [67; 144; 158]. Параметры, оказывающие влияние на характеристики нагруженности называются факторами нагруженности.
Эксплуатационные нагрузки, исходя из характера изменения во времени их величины, условно можно разделить на постоянные, переменные регулярные, переменные случайные, переменные кратковременные [67].
Процесс изменения характеристики нагруженности во времени Q(r) можно представить в виде реализации (рис. 1.8) или совокупности реализаций.
На основе методов математической статистики процесс может быть описан случайными функциями или законом распределения амплитуд. Часто для представления нагруженности в компактной форме, производится схематизация реализаций процесса одним из известных методов [67; 144].
Результаты такой обработки используются в дальнейшем для решения следующих задач проектирования: для установления группы режима работы оборудования; сравнительной оценки процессов нагружения однотипных элементов при выявлении наиболее нагруженных; количественной оценки эксплуатационных режимов машин по их повреждающему воздействию; расчетной оценки долговечности элементов машин по критериям накопления усталостных повреждений; моделирования реального процесса нагружения при стендовых испытаниях натурных элементов конструкций и моделей машин на усталость [67].
Можно выделить несколько вариантов компактного представления параметров распределения факторов и характеристик нагруженности [67]:
блок распределения (рис. 1.9, а);
набор частот распределения (рис. 1.9, б);
смешанное блочно-частотное распределения (рис. 1.9, в).
Блок распределения является наиболее универсальным и используемым вариантом представления нагружения механизмов и металлоконструкций кранов. При его построении весь интервал описываемой величины Q є [О; QHOM ] разбивается на N подынтервалов шириной AQ = QH0M IN.
Для нагрузок, величина которых попадает в 1-й подынтервал (т.е. составляет ( -1)AQ Q iAQ), определяется их общая продолжительность действия или число рабочих циклов v-, а затем - нормированное значение v{ = vt I vm.
Частотное распределение целесообразно использовать, если исследуемая величина принимает несколько фиксированных значений. Тогда для каждого 1-го значения Q. (из дискретного множества Qx, Q2,..., Q{,..., QN) определяется общая продолжительность действия или число рабочих циклов vt, а затем -нормированное значение vi = vt I vm.
В инженерной практике при проектировании кранов-манипуляторов учет нагруженности производится весьма приближенно. В расчетах инженеры руководствуются рекомендациями головных организаций, в вычислениях используются многочисленные эмпирические коэффициенты [50; 121; 144; 147].
При проектировании условия нагружения кранов и их механизмов в процессе эксплуатации учитываются группами режимов работы, исходя из которых определяются требования к его надежности. Режим работы крана в целом определяется классом нагружения и классом использования [7; 50; 100; 144]. При этом не учитываются реальные условия эксплуатации крана-манипулятора.
Коэффициент нагружения KQ определяется по формуле [26; 67] где Qmax- сумма номинальной грузоподъемности крана QH и массы грузозахватного органа Qro, Qt — масса груза перемещаемого краном в течение с{ циклов, с,- - число циклов работы с грузом массой Q.. В цикл работы крана входит перемещение грузозахватного органа к грузу, подъем и перемещение груза, освобождение грузозахватного органа от груза и возвращение его в исходное положение. Зависимость класса нагружения от коэффициента нагружения дана в табл. 1.1 [26].
Совокупность значений Qi-ci образует блок нагружения. При этом часто блок строится в относительных величинах.
Класс использования определяется в зависимости от числа циклов работы крана за весь срок службы при KQ = 1,0. Зависимость класса использования от числа циклов за весь срок службы дана табл. 1.2 [26].
Технология работы машин для сварки трубопроводов предусматривает три основные конфигурации крана-манипулятора (рис. 1.10) [45]. Конфигурации 1 и 2 используются для оценки максимальных нагрузок при движении машины для сварки трубопроводов. Конфигурация 3 - для оценки максимальных нагрузок при подъеме груза и при повороте поворотной колонны.
Конфигурация 1 соответствует работе крана-манипулятора в стесненных условиях. Конфигурация 2 - в нормальных условиях.
Краны-манипуляторы машин для сварки трубопроводов эксплуатируются в трудных климатических условиях. Учет климатического воздействия на конструкцию подъемно-транспортных машин выполняется по рекомендациям [142]. К такому виду воздействия относятся снеговые, гололедные и температурные нагрузки [67]. Кран-манипулятор может эксплуатироваться в полевых условиях при температуре окружающего воздуха -40 С...+40 С и относительной влажности воздуха 95% при 25 С [45].
Имитационное моделирование
При отсутствии достоверных данных о законах распределения факторов нагруженности предлагается использовать имитационное моделирование [81; 104]. Для этого строятся две взаимосвязанные модели: сетевая имитационная модель (СИМ) и модель обслуживаемого краном-манипулятором участка -модель трубопровода (МТ).
Модель трубопровода служит для наглядного описания положения отдельных рабочих зон и параметров грузовых операций, выполняемых краном-манипулятором. В конечном счете с помощью этой модели определяются конкретные значения факторов нагруженности.
Модель включает в себя описание конфигурации прокладываемого трубопровода, параметров его элементов (труб, задвижек, сварных швов), состояния опорной поверхности на строительной площадке (тип покрытия и уклоны в пределах каждого элемента). Графическое представление модели трубопровода показано на рис. 2.4.
На рис. 2.4 показан типичный участок трассы трубопровода с указанием направления строительства, совпадающего с положительным направлением координатной оси х, которая связана с траекторией прокладки трубопровода. В местах расположения сварных стыков труб с координатами xt кран-манипулятор выполняет подъем и опускание палатки сварщика. Кроме этого, показаны высотные отметки местности (с помощью которых определяются уклоны опорной поверхности) и граница участков опорной поверхности с различным типом микропрофиля.
Величина перемещения машины для сварки трубопроводов от /-1-го к і -му стыку равна
Сетевая имитационная модель учитывает особенности производственного процесса строительства магистрального трубопровода и используется для определения порядка и моментов времени выполнения краном-манипулятором грузовых операций. Каждому элементу сетевой имитационной модели соответствует один или несколько элементов модели трубопровода.
В случае использования при строительстве нескольких машин для сварки трубопроводов и нескольких бригад сварщиков одновременно, СИМ позволяет учесть распределение грузоподъемных операций между ними. При имитационном моделировании различают три вида времени: время реальной системы, в котором функционирует моделируемая система; модельное время, которое является идеализацией времени реальной системы; реальное время, необходимое для численного моделирования. Наибольший интерес представляет модельное время [104].
В процессе моделирования изменяется модельное время. Оно принимается дискретным, измеряемым в тактах (At). Время изменяется после того, как закончена имитация очередной группы событий, относящихся к текущему моменту времени t. Произошедшие в течение одного такта события считаются наступившими одновременно, несмотря на то, что реальное время их наступления может не совпадать. Для устранения этого недостатка и ускорения процесса моделирования возможна коррекция модельного времени с переменным шагом (5t). В этом случае после отработки всех событий в текущий момент времени модельное время сдвигается вперед до момента наступления ближайшего по времени события. При таком подходе события отрабатываются в те моменты времени, в которые они возникают в реальной системе [104].
Моделирование завершается при достижении максимального модельного времени Т. Иногда моделирование продолжается до тех пор, пока не будут обслужены все заявки, поступившие в систему до наступления времени Т. После этого обрабатываются накопленные данные [104].
Сетевые имитационные модели строятся из элементарных частей: источников входных заявок, статических ресурсов (устройств и накопителей) и управляющих элементов (узлов) [81; 104]. Графическое изображение типовых элементов СИМ показано на рис. 2.5.
Источник заявки (рис. 2.6, а) - входное звено СИМ, вычисляющее время появления заявки и значения параметров этой заявки. Заявкой называется объект, поступающий в систему извне и движущийся по её элементам согласно определенным правилам. Совокупность этих правил называется дисциплиной обслуживания. В нашем случае под заявкой понимается требование на сварку одного стыка труб с заданными параметрами. Параметры заявки определяются по заданному закону распределения или назначаются согласно установленному правилу. Параметры заявки могут зависеть от параметров уже поступивших в систему заявок, в этом случае источник заявки называется зависимым.
Устройство (рис. 2.6, б) - основной исполнительный элемент СИМ, видоизменяющий значения параметров и определяющий длительность обслуживания заявок. Устройство генерирует случайное значение времени обслуживания заявки согласно закону распределения, по установленному правилу или в зависимости от наступивших в других частях СИМ событий. Устройство также управляет очередями на своих входах.
Накопитель (рис. 2.6, в) - элемент СИМ, хранящий еще не обработанные заявки, поступившие на устройство. Накопитель позволяет определять объем ресурсов, требуемых для хранения ожидающих заявок.
Узел (рис. 2.6, г) - элемент СИМ, определяющий порядок и направление движения заявки по системе от одного устройства к другому согласно принятой дисциплине обслуживания. Выполняет связующие, управляющие и вспомогательные функции в имитационной модели (например, служит для выбора направлений движения заявок или разделения заявок на части).
Значения факторов нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов в определенный момент времени полностью определяются текущим состоянием СИМ.
После построения модели выполняется численное моделирование процесса функционирования исследуемой системы с помощью ЭВМ. Рассмотрим общий алгоритм имитационного моделирования (рис. 2.7). Процесс начинается с генерации заявок, поступающих в систему в течение всего времени моделирования. Информация о поступлении заявок заносится в список событий, в котором записи упорядочены по увеличению времени наступления.
В процессе моделирования модельное время увеличивается. На каждом такте из списка событий выбираются события, относящиеся к текущему времени. Далее просматривается сетевая модель и устанавливается место нахождения заявок, с которыми связаны текущие события. Затем заявки продвигаются по системе: передаются на обслуживание в устройства или на ожидание в накопители; освобождают устройства или накопители; перенаправляются узлами согласно заданной дисциплине обслуживания; покидают систему.
После обработки всех событий прогнозируется наступление событий, связанных с текущими изменениями системы. Данные о будущих событиях заносятся в список событий. Указанная последовательность действий повторяется на новом такте.
После окончания процесса моделирования оказываются сформированными последовательности значений факторов нагруженности.
Оптимизация крана-манипулятора
Разработанные в диссертационной работе оптимизационные модели гидравлического крана-манипулятора ориентированы на их использование преимущественно при решении проектно-конструкторских задач, возникающих на этапе модернизации существующих машин для сварки трубопроводов [83; 84].
Целью оптимизации крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов является максимальное выявление и использование резервов несущей способности его металлоконструкции и материала, а также энергетических характеристик силового гидропривода краново-манипуляционной установки. Достижение этой цели возможно при формировании таких кинематических схем крана, которые обеспечивают наилучшие значения заданных проектировщиком критериев качества при удовлетворении необходимых компоновочных решений, конструктивных и прочностных ограничений.
На рис. 3.23 показана подлежащая оптимизации кинематическая схема трехзвенного крана-манипулятора транспортно-технологической машины для сварки магистральных трубопроводов. Ее конфигурация определяется набором числовых величин - геометрическими размерами звеньев схемы и их элементов, а также присоединительными размерами для установки приводных гидродвигателей. Некоторые из этих размеров не подлежат варьированию в процессе поиска оптимального решения, т.е. при оптимизации являются неуправляемыми параметрами. К ним относятся те, которые либо однозначно определяются другими характерными размерами схемы, либо не подлежат варьированию при модернизации транспортно-технологической машины. Внешние нагрузки, воздействие которых учитывается при динамическом анализе металлоконструкции крана, также входят в число неуправляемых параметров.
За исключением фиксированных размеров, остальные размеры кинематической схемы могут включаться в список управляемых параметров, варьируемых с целью нахождения оптимального решения.
Из управляемых параметров формируется вектор неизвестных размеров [х], подлежащих определению. Найденный в процессе оптимизации вектор {х} t и вектор неуправляемых параметров {z} полностью определяют размеры оптимальной кинематической схемы. Чем большее число размеров принимается в качестве управляемых параметров, тем более эффективной становится процедура оптимизации.
Вектор управляемых параметров для кинематической схемы (рис. 3.23) включает следующие размеры {XV=VA. ЛЬ ha Івш ho he /,} а вектор неуправляемых параметров {z}T={LxL2L,lChlhi}. Включенные в вектор {z} размеры звеньев Lx, L2 и L3 не подлежат варьированию, так как они определяются размерами рабочей зоны крана-манипулятора, регламентированной проектом производства сварочных работ при строительстве трубопровода. Размеры /СЛ и 1М определяют узел крепления крана-манипулятора на базовом шасси транспортно-технологической машины, который нецелесообразно изменять в процессе модернизации.
Задачу нелинейной условной оптимизации крана-манипулятора в общем случае формулируется следующим образом: для кинематической схемы на рис. 3.23 требуется найти такое сочетание ее варьируемых размеров, при котором достигается минимум оптимизируемого критерия качества (целевой функции) с учетом конструктивных, компоновочных и прочностных ограничений
Конструктивные ограничения dt (3.17) представляют собой геометрические соотношения, накладываемые на предельные (наибольшие [л ]тах и наименьшие [хк ]min ) значения варьируемых размеров кинематической схемы: представляют собой геометрические соотношения, накладываемые минимально допустимыми длинами приводных гидроцилиндров, на минимально допустимые расстояния [/ac]mjn и ІЛ/lmin между осями шарниров их крепления на металлоконструкции крана
При проверке прочностных ограничений напряжения могут быть вычислены с использованием разработанных конечноэлементных моделей (гл. 4).
Конкретная формулировка и математическое выражение целевой функции Ц в задаче оптимизации (3.16)-(3.19) определяется приоритетной целью про ІКН Е1ІІШНЕІ1 Hit E і 1 II II,і і і I водимой модернизации транспортно-технологической машины, в качестве которой могут выступать:
1) повышение энергоэффекгавности силового гидропривода крана-манипулятора;
2) снижение уровня нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора.
Если модернизация направлена на повышение энергоэффективности силового гидропривода крана-манипулятора, в качестве критерия оптимальности целесообразно использовать условие минимума суммы максимальных тяговых усилий, развиваемых гидроцилиндрами в процессе совершения поворотных движений рукоятью и стрелой при наиболее неблагоприятной конфигурации кинематической схемы манипулятора: Цх{{х}, {z}) = tbi( uUu +a2iU2i)- mm, (3.20) где / - номер движения (/=1 - поворот рукояти относительно шарнира А, і =2 - поворот стрелы относительно шарнира В); Uu , U2t - максимальные значения эксплуатационной нагрузки на штоки гидроцилиндров привода рукояти и стрелы соответственно при выполнении і -го движения; а и — весовой коэффициент влияния нагрузки на штоке j -го гидроцилиндра на напряженное состояние металлоконструкции при выполнении 1-го движения; bt - весовой коэффициент влияния / -го движения на напряженное состояние металлоконструкции.
При таком подходе достигается снижение необходимой величины тяговых усилий приводных гидроцилиндров, что позволяет заменить приводные гидродвигатели исходного типоразмера менее мощными двигателями меньшего типоразмера и, как следствие, уменьшить установленную мощность насосного агрегата транспортно-технологической машины. Приближенная нижняя оценка эффективности перехода от исходной кинематической схемы крана-манипулятора к оптимальной может быть выражена коэффициентом снижения мощности насосного агрегата kN, выражение для которого имеет вид где NH - мощность насосного агрегата; #imax 2max- наибольшие тяговые усилия, возникающие в гидроцилиндрах рукояти и стрелы соответственно при их движении; индекс «и» относится к исходному варианту крана, «м» - к модернизированному.
На практике коэффициент kN оказывается выше, чем его нижняя оценка согласно зависимости (3.21), так как при подборе гидродвигателя меньшего типоразмера его диаметр должен быть согласован с нормальным рядом диаметров гидроцилиндров согласно ГОСТ 12447-80.
Если модернизация направлена на снижение уровня нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора, в качестве критерия оптимальности целесообразно использовать условие минимума суммы максимальных относительных напряжений в трех секциях при движениях рукояти и стрелы при наиболее неблагоприятной конфигурации кинематической схемы манипулятора:
При таком подходе достигается равномерное снижение уровня напряженного состояния во всех звеньях крана-манипулятора. Это является тем резервом несущей способности металлоконструкции, который можно использовать для увеличения номинальной грузоподъемности крана без увеличения уровня напряженного состояния модернизированной конструкции по сравнению с исходной.
В гл. 5 рассмотрено практическое использование разработанных оптимизационных моделей (3.16)-(3.19) с целевыми функциями (3.21), (3.22) и оценка их потенциальных возможностей для повышения показателей качества модернизируемых кранов-манипуляторов применительно к машине для сварки трубопроводов.
Оптимизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А
Разработанные в п. 3.2 оптимизационные модели гидравлического крана-манипулятора были применены при модернизации машины для сварки трубопроводов АСТ-4-А с целью оценки их эффективности применительно к реальному объекту.
Задача нелинейной условной оптимизации (3.16)-(3.19) с целевыми функциями (3.20) и (3.22) была реализована в вычислительном программном комплексе «Оптимизация крана-гидроманипулятора».
В табл. 5.5 приведены результаты оптимизации, направленной на повышение энергоэффективности силового гидропривода крана-манипулятора, а в табл. 5.6 - на снижение уровня нагруженности его металлоконструкции. На рис. 5.3 представлен внешний вид кранов-манипуляторов, соответствующих характерным вариантам исполнения его кинематической схемы. Дополнительно приведены параметры наихудшего варианта кинематической схемы, для которого характерно максимальное возможное значение целевой функции Цх или Ц2 Вектор управляемых параметров {х} для указанных вариантов определялся минимизаций целевой функции вида
Анализ полученных результатов показывает, что исходная кинематическая схема крана-манипулятора достаточна далека от оптимальной для обоих критериев оптимизации. Это свидетельствует о существенных потенциальных резервах повышения показателей качества выпускаемой в настоящее время машины и целесообразности ее модернизации. Рис. 5.4 позволяет судить об «удаленности» исходного варианта кинематической схемы крана-манипулятора от оптимального и наихудшего вариантов.
Максимальные значения тяговых усилий гидроцилиндров крана-манипулятора в процессе выполнения движений рукояти и стрелы, которые были достигнуты при оптимизации по критерию повышения энергоэффективности силового гидропривода, оказались сниженными с 96,9 кН до 57,5 кН (гидродвигатель движения рукояти) и с 130,2 кН до 68,9 кН (гидродвигатель движения стрелы), т.е. приблизительно на 41% и 47% соответственно. Это позволяет заменить применяющие в выпускаемой в настоящее время машине гидроцилиндры номинальным диаметром 125 и 160 мм на гидроцилиндры меньшего типоразмера номинальным диаметром по ПО мм и, соответственно, при сохранении паспортного значения номинальной угловой скорости поворота звеньев крана снизить расходы рабочей жидкости с 20,3 л/мин до 9,7 л/мин (гидродвигатель движения рукояти) и с 26,8 л/мин до 11,6 л/мин (гидродвигатель движения стрелы), т.е. приблизительно на 52% и 57% соответственно. Как результат, используя зависимость (3.21) для приближенной оценки эффективности оптимизации по критерию Цх, можно прогнозировать, что использование названных результатов при модернизации машины для сварки трубопроводов АСТ-4-А позволит снизить потребляемую мощность гидропривода приблизительно на 44%.
Оптимизация по критерию снижения уровня нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора (3.22) позволяет снизить уровень относительных напряжений в наиболее нагруженных сечениях звеньев в среднем с 0,62 до 0,42, т.е приблизительно на 32%. Как результат, можно прогнозировать, что использование названных результатов при модернизации машины для сварки трубопроводов АСТ-4-А позволит повысить номинальную грузоподъемность крана-манипулятора с 750 кг до 1100 кг (в 1,47 раза) без дополнительного усиления его металлоконструкции.
