Введение к работе
Актуальность работы. Высокоскоростные грузоподъемные краны с пространственными канатными подвесами груза являются неотъемлемой частью технологического комплекса или транспортяо-пзрегрузочяого потока. Повышение производительности этих кранов для обеспечения эффективности процесса в целом достигалось до сих пор, как правило, за счет увеличения номинальных скоростей рабочих движении. Однако натурными исследованиями установлено, что высокие номинальные скорости горизонтального перемещения груза используются лишь в малой степеня и производительность кранов не возрастает по следующим причинил: at увеличивается время на точную остановку и успокоение колебаний груза; 6} возрастает время простоев крана в результате повышения износа и отказов аппаратуры управления из-за увеличения числа включений, необходимых для гашения колебаний груза.
Тпким образом, для решения одной из кардинальных проблем эффективности грузоподъемных кранов с гибким подвесом груза необходимо исследовать явления, возникающие при раскачиваниях груза, и обеспечить его перемещение с малыми колебаниями. Последний фактор имеет также социальный аспект - напряженность труда и утомляемость оператора, условия его работы. Решение проблеми гашения колебаний груза позволит использовать краны для работы в автоматическом цикле в составе гибких производственных систем»'
При разработке кранов очень редко имеется возможность создания опытного образца, который можно было бы всесторонне исследовать в реальных условиях эксплуатации, вплоть до аварийных. Конструктор должен быть уверен, что произведенные им расчеты учитывают процессы, реально протекающие при работе кранов.. Поэтому важным является разработка математических моделей кранов, их экспериментальная проверка и реализация на ЭВМ с целью получения требуемых показателей. При этом надо иметь в виду, что процесс формирования модели для сложной динамической системы является трудоемкой задачей, которую каждый раз приходится решать заново, как только исследователь сталкивается с новой конструкцией. В связи с этим создание обобщенных моделей и алгоритмов на их основе, пригодных для достаточно широких клзссов кранов и конструктивно-компоновочных исполнений их элементов, схем подвесов груза увеличивает возможность решения больших и практически важных задач. Значение обобщенных моделей значительно возросло в последнее время в
связи с проблемой создания систем автоматизированного проектирования грузоподъемных машин. Современные мощные высокоскоростные и металлоемкие краны - достаточно дорогие и сложные объекты конструирования, в которых тщательный и полный динамический расчет позволяет вскрыть существенные резервы-и одновременно избежать ошибок.
Гибкий подвес груза определяет особенности расчета прочности и надежности крановых механизмов и металлоконструкций, построения систем управления и устройств безопасности. Важная задача динамики кранов с подвешенным на канатах грузом решалась рядом видных отечественных и зарубежных ученых; фундаментальность имеющихся исследований несомненна. Однако подавляющее большинство"авторов считало возможным рассматривать груз на канатах как математический маятник, что значительно искажало процессы, реально протекающие при работе кранов с пространственными подвесами груза.
Методы динамического расчета (анализа и оптимизации!грузоподъемных кранов, описанные в литературе, разработаны для отдельных классої кранов, их механизмов и узлов. При этом некоторые типы кранов или вообще не рассмотрены, или рассмотрены с серьезными упрощениями; учет действительной схемы запасовки подъемных канатов практичесіш не отражен. Вопросы оценки динамических свойств крана и груза на канатах на стадии проектирования не затрагивались.
Цель диссертации - разработка теоретических основ динамического анализа и оптимизации кранов с пространственными канатными подвесами груза и их реализация на стадиях проектировочного и проверочного расчетов, совершенствование создания и повышение эффективности кранов за счет целенаправленного формирования характеристик крановых подсистем и груза на гибком подвесе с введением в необходимых случаях корректирующих устройств для оптимизации динамических свойств крана в целом, привлечения средств автоматизированного проектирования машин.' Указанная цель и анализ современного состояния'динамических расчетов кранов определили следующие основные задачи исследования.
-
Разработать теоретические основы количественной и качественно оценки процессов, протекающих при раскачиваниях груза на нространст венных канатных подвесах, и реализовать их для подавляющего больший ства применяемых в краностроении схем.
-
Сформулировать, обосновать и реализовать теоретические лоложе ния, позволяющие путем оптимизации размеров подвеса груза добиться существенного снижения размахов его колебаний при работе крановых
механизмов горизонтального перемещения груза.
-
Показать необходимость и принципиальную возможность осуществления вариации параметров, разработать теоретические основы оценки эффективности использования и создать гамму виброзащитных устройств для демпфирования вертикальных колебаний груза и конструкции крана в широком диапозоне технологических вариантов его работы.
-
Разработать и теоретически обосновать эффективность применения виброзащитного устройства для демпфирования крутильных колебаний груза у мостовых кранов, предназначенных.для перегрузки длинномерных грузов. Шказать принципиальную возможность построения активных виб-розащитннх устройств для гашения поперечних колебаний груза.
б. Сформулировать концепцию построения обобщенной математической модели грузоподъемных кранов и разработать ее для кранов стрелового тлпа.
6. Создать алгоритм, построить и реализовать автоматизированное проетирование системи изменения вылета портальных кранов о оптимальными металлическими, конструкциями стрелы и хобота.
7, Синтезировать оптимальное управление системой передвижения грузовой тележки для гашения колебаний груза, достаточно просто практически реализуемое, и показать принципиальную возможность построения устройства на основе полученного алгоритма управления.
На зашитт выносятся следующие результаты, полученные лично автором
и обладающие научной новизной,
-
Методика построения динамических и математических моделей колебаний грузов на пространственных канатных подвесах, включая теоретические основы качественного анализа дифференциальных уравнений свободных колебаний и количественного анализа частотных спектров груза на подвесах по различным схемам.
-
Методика построения динамических и математических моделей свободных колебаний системы подъема груза с виброзащитными устройствами, имеющими переменные ( конструктивно формируемые или управляемые» параметры. .
.3. Концепция построения обобщённых динамических и математических моделей грузоподъемных кранов, и обобщенная математическая модель стреловых кранов.
4. Динамические и математические модели систем вращения груза и передвижения тележки кранов мостового типа о различными схаїйами' подвесов груза. .
, 3
-
Постановка задачи оптимизации размеров подвеса груза.
-
Постановка задачи и результаты синтеза оптимального управления системой для гашения колебаний груза.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается накопленным опытом теоретических исследований и проектирования кранового оборудования, учетом нормативных требований к крановым механизмам, металлоконструкциям и устройствам безопасности, использованием апробированных в других отраслях машиностроения физических предпосылок и методов динамики механизмов, машин и конструкций, сопоставлением результатов автоматизированного проектирования и оптимизации с реализованными проектами, выполненными без привлечения средств вычислительной техники.
Адекватность разработанных математических моделей доказана путем
сравнения результатов расчета моделируемых характеристик с данными
натурных исследований трех специальных мостовых кранов КСВМ-20, при
чального, контейнерного перегружателя ІЗКП-32, портального перегрузоч
ного крана КПП 10(12,51-30, проведенных по разработанным автором
программам и под его руководством, а также специального мостового
крана грузоподъемностью (2,5 + 2,5)т со встроенными в систему подве
са груза виброзащитными устройствами, испытания которого были прове
дены бригадой Днепродзержинске-го индустриального института и бюро
грузоподъемных машин отдела главного механика Никопольского Юкнотру-
бного завода на HDT3. Результаты теоретического анализа эффективно
сти применения созданных на уровне изобретений виброзащитных уст
ройств подтверждены данными эксплуатационных испытаний осуществлен
ных конструкций на действующих кранах и отзывами крановщиков и об
служивающего персонала. і
Практическая ценность работы заключается в том, что теория, методы инженерного расчета, конструкции и устройства, разработанные в диссертации, были использованы на предприятиях, занимающихся проектированием, изготовлением и эксплуатацией широкой гаммы кранов мостового и стрелового типов. Проведенные исследования и полученные результаты создали предпосылки для разработки новых методов динамического анализа, оптимизации и норм расчета грузоподъемных кранов, позволили выявить эффективные направления дальнейших научных исследований и конструкторско-технологических работ по повышению эффективности кранов и возможности их использования в автоматизированных производственных системах. 4
Реализация результатов работы. Основные теоретические положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы при проектировании и модернизации грузоподъемных машин на заводе НТО им.СМ. Кирова ГО "Подъемтрансмаш" (портальные и судовые краны, специальные мостовые краны, контейнерный и грейферно-бункерный перегружатели), ЦНИИ судового машиностроения ПО "Пролетарский завод" (судовые крайні, СПКТБ "Ленгидросталь" (козловые краны для ГЭС), ЦКБ тяжелого машиностроения (специальные грузоподъемные мэЗшшы), Украинском государственном институте краностроения (стреловые самоходные краны), Никопольском Юкногрубном и Днепропетровском трубопрокатном заводах f специальные мостовые краны).
Отлажены и внедрены в практику проектирования пакеты прикладных программ для ЭВМ для определения динамических нагрузок на элементы механизмов и металлоконструкций кранов мостового и стрелового типов, автоматизированному проектировании системы изменения вылета портальных кранов с оптимальными металлическими конструкциями стрелы и хобота, оптимизации размеров подвеса груза. Часть полученных в диссертации результатов отражена в двухтомном "Справочнике по кранам","Технических условиях на проектирование специальных металлургических кранов" для завода ПТО им.С.М.Кирова и "Руководящем документе по определению нагрузок на металлические конструкции верхнего строения стреловых самоходных кранов", составленном автором для Укршшского государственного института краностроения.
На Череповецком металлургическом комбинате в 1989г. успешно пропел эксплуатационные испытания специальный мостовой кран с вращающейся теледкой КСВМ-20, имеющий подвес груза на траверсе с блоками."связанными" общим валом, которая спроектирована и изготовлена заводом ПТО им.С.М.Кирова по изобретению №1546407 СбТ]. Начиная с 1990г. завод посташюет на металлургические комбинаты страны ежегодно 10-15 таких кранов. Заводом ПТО им.С.М.Кирова спроектирована подобная грузоподъемная траверса и для специальных металлургических кранов с врашадаей-ся тележкой грузоподъемностью 50т, а также грузовая подвеска к крановой стреле [80] для специальных мостовых кранов грузоподъемностью Ют, снабженных поворотной выдвижной стрелой.
На Никопольском Южнотрубном и Днепропетровском трубопрокатном заводах в травильных цехах успешно работают специальные мостош.'с крпин с включенными в систем^' подвеса груза вкброзавднтішш уетроі:с.ткг.и';, н.'полняшіими сїункгцга демпфера и виб по изолятора f79j. Там :кі ряд мое-
товых кранов оборудован сиденьями для защиты оператора от общей вибрации [72].
Разработанный на уровне изобретения [82] комплекс аппаратуры для. натурных исследований процессов раскачиваний груза у кранов мостового и стрелового типов используется бюро экспериментальных работ отдела главного конструктора завода ПТО им,С.М.Кирова при эксплуатационных и программных испытаниях грузоподъемных машин, .
Ряд положений диссертации реализован в учебной работе кафедры подъемно-транспортных и строительных машин С.-ПбГТУ при чтении автором лекционных курсов "Грузоподъемные мащини" и "Динамика машин", в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты исследований и диссертация в целом докладывались и обсуждались на: а)Всесоюзных конференциях и на-» учно-технических.совещаниях по ЮТ в г.Лвнанграде (1974г.), Горьком (1980г.), Москве (І98І,І985,І990,І99Іг.г.); б) Международной конференции "Развитие основ проектирования, эксплуатации и исследования тяжелых рабочих машин" в г.Щырк Польской республики (1989г.); в) Республиканских, краевых, региональных конференциях в г.Москве (1972г.) , Артеме (1974,1976,1983г.г.), Ленинграде (1975г.), Красноярске (I980rJ Софии (1984г.), Севастополе (1988,1991,1992г.г.),, Одессе (1989г.) і г> Заседаниях секции ПТМ научно-методического Совета по специальности 15.04 "Подъемно-транспортные,-,строительные и дорожные машины" в г.Новочеркасске (1984г.) и Могилеве 11990г.).
Публикации. Основное содеожание диссертационной работы изложено в
разделах двухтомного "Справочника по кранам", учебном пособии, 58 пе
чатных работах, 15 авторских свидетельствах и 7 положительных решени
ях на выдачу патентов. \
Структура и о0ъем работы, Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 701 наименования іг приложения Материал размещен на 265 стр. машинописного текста, 123 рисунках на 108 стр. и 40 таблицах на 26 стр., 74 стр. списка литературы. К основному тому объемом 474.стр. составлен отдельный том приложений в 214 стр., где приведены также документы, подт'верядавдие внедрение результатов работы.