Введение к работе
Актуальность работы. Механизация подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ в подавляющем большинстве осуществляется с помощью кранов различных типов. От эффективности работы кранов во многом зависит производительность и качество выполненных работ в строительстве, промышленности, судостроении, сельском хозяйстве, на транспорте.
Поэтому весьма актуальным является совершенствование приводов и металлоконструкций кранов с целью повышения производительности, точности позиционирования грузов, повышения безопасности производства работ. Особенную актуальность имеет задача повышения технического уровня специальных кранов, входящих в технологический цикл производства работ. К таким кранам относятся монтажные, металлургические, судостроительные краны, краны для обслуживания гидравлических, тепловых и атомных станций, перегрузочные краны портов. От эффективности работы механизмов кранов зависит их производительность, безопасность производства работ, надежность крана в целом. Приводы таких кранов отличаются большим многообразием по мощности, передаточному отношению трансмиссии, скоростям передвижения и подъема груза, точности посадки груза. При проектировании специальных кранов часто невозможно выбрать серийно изготавливаемый редуктор, главным образом по величине передаточного отношения, в этом случае заводам-изготовителям кранов или специализированным предприятиям приходится проектировать и изготавливать оригинальный редуктор. При этом требуется выполнить ряд ограничений: по массе, габаритам, передаточному отношению, уровню шума, эффективности передачи энергии. Таким ограничениям зачастую удовлетворяют планетарные редукторы. В настоящее время разработан ряд интересных схем планетарных зубчатых передач 2k-h, 3k, замкнутых дифференциальных механизмов. Методика расчета этих передач достаточно детально разработана, но методы выбора наилучшего решения по указанным выше ограничениям требуют дальнейшего развития.
Решение задач повышения эффективности работы кранов в современных условиях невозможно без применения методов оптимального проектирования, позволяющих снизить энерговооруженность и металлоемкость приводов, от чего, как известно, большей частью зависит их стоимость.
Методы оптимального и автоматизированного проектирования нашли широкое применение в краностроении. Однако в связи с развитием теории оптимального проектирования в целом, и развитием новых типов приводов и систем их управления, а также в связи с повышением требований к энерговооруженности, металлоемкости кранов и крановых механизмов прикладная теория оптимального и автоматизированного проектирования должна получить дальнейшее развитие.
Цель работы. Совершенствование приводов механизмов кранов пролетного типа с целью снижения металлоемкости и энерговооруженности на основе дальнейшего развития теории оптимального и автоматизированного проектирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Выбрать методы оптимизации и модифицировать их применительно к решению задач оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа.
-
Разработать математические модели и выбрать критерии оптимального проектирования механизмов.
-
Обосновать методику и алгоритмы оптимального проектирования механизмов подъемов кранов и механизмов передвижения кранов и крановых тележек.
-
Разработать методику оптимального проектирования зубчатых передач соосного типа и автоматизированного выбора схем соосных зубчатых передач в зависимости от требуемых технологических, прочностных и качественных характеристик.
-
Составить алгоритм оптимального проектирования соосных зубчатых передач применительно к решаемой задаче.
-
Предложить методику инженерного расчета оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа на основании разработанной теории.
Основная научная идея. Разработка теории оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа с применением методов многокритериальной оптимизации..
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Метод решения многокритериальной задачи оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, основанный на принципе Парето.
2. Методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов подъема.
3. Методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.
4. Векторные критерии оценки качества решения задач оптимального проектирования механизмов подъема кранов.
5. Векторные критерии оценки качества решения задач оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек.
6. Модификация метода целевого программирования для сужения области парето-оптимальных решений.
7. Метод решения многокритериальной задачи оптимального проектирования передаточных механизмов с большими передаточными отношениями на основе принципа Парето.
8. Теоретические положения оптимального проектирования соосных зубчатых передач.
9. Методика определения оптимальных параметров металлоконструкций барабанов механизмов подъема и металлоконструкций балансиров механизмов передвижения.
Новизна научных положений:
- впервые предложено решение многокритериальной задачи оптимального проектирования приводов механизмов кранов пролетного типа, основанное на принципе Парето, включающее три этапа: формирование области возможных решений; выделение области парето-оптимальных решений; определение оптимального решения;
- разработана методика формирования области возможных решений задачи оптимального проектирования механизмов подъема для кратностей полиспаста от 1 до 24, позволяющая учесть все возможные варианты по типам электроприводов и управляющих устройств, трансмиссий, канатов, муфт и тормозов;
- формирование области возможных решений задач оптимального проектирования механизмов передвижения кранов и крановых тележек рекомендовано осуществлять при дискретно изменяемых значениях диаметра ходового колеса от 250 мм до 1000 мм, что позволяет учесть все возможные конструктивные схемы компоновки механизмов;
- для механизма подъема предложен векторный критерий оценки качества решения, включающий в качестве составляющих девять критериев оптимальности: экономическую оценку двигателя и управляющего устройства, стоимость и габаритный размер передаточного механизма, массы барабана, каната, крюковой подвески, муфт, тормозов и коэффициент полезного действия механизма;
- предложен векторный критерий оценки качества решения при проектировании механизмов передвижения, состоящий из девяти критериев оптимальности: экономической оценки двигателя и управляющего устройства, стоимости и массы трансмиссии, масс балансиров, колес, рельсов, муфт, тормозов и коэффициента полезного действия механизма;
- разработана модификация метода целевого программирования для выбора оптимального решения задач проектирования механизмов подъема и передвижения из множества парето-оптимальных решений по минимальному значению метрики;
- впервые предложена методика многокритериального оптимального проектирования передаточных механизмов с большими передаточными числами: на первом этапе выполняется формирование области возможных решений на основе схем планетарных передач типа 2k-h, 3k, с учетом прочностных ограничений и требуемых качественных характеристик; на втором – формирование области парето-оптимальных решений в соответствии с предложенным векторным критерием оценки качества решения, включающим: массу и габаритный размер передачи, коэффициент перекрытия и коэффициент полезного действия; на третьем - выбор оптимального решения по минимальному значению метрики в соответствии с предложенной модификацией метода целевого программирования;
- разработан метод графического синтеза соосных зубчатых передач, позволяющий в зависимости от величины и знака передаточного отношения, а также требуемых качественных характеристик определять схему и геометрические параметры зубчатой передачи;
- обосновано применение модифицированного метода Хука-Дживса для определения оптимальных параметров барабанов механизмов подъема и балансиров механизмов передвижения, позволяющего получить конструкции минимальной металлоемкости.
Практическая значимость работы. Проведенные научные исследования и полученные результаты обеспечили возможность разработки методик автоматизированного оптимального проектирования механизмов кранов пролетного типа и их трансмиссий, а также позволили достичь снижения металлоемкости и энерговооруженности кранов, затрат труда конструкторов на стадии проектирования.
Достоверность полученных результатов подтверждается выбором соответствующих задаче физических предпосылок; применением апробированных законов механики, математики, теории механизмов и машин, методов математического моделирования, методов оптимизации; сопоставлением результатов аналитического исследования с данными математического моделирования; сравнительным анализом полученных результатов с известными.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены:
- в ЗАО Научно-производственная фирма «Авангард-ф» г. Саратов в виде технических предложений по выполнению конструктивных схем погрузочно-разгрузочных и подъемно- транспортных работ; методики расчета механизмов кранов пролетного типа;
- ОАО «Строймаш» г. Саратов в виде методики оптимального проектирования планетарных зубчатых передач грузоподъемных машин;
- ООО Инженерно-консультационный центр «Мысль» Новочеркасского государственного технического университета г. Новочеркасск в виде методики и алгоритма оптимального проектирования механизмов подъема.
- подразделении технопарка БИТТУ СГТУ и ООО ИКЦ «Крансервис» при выполнении модернизация механизмов подъема и передвижения пяти козловых кранов К 2125 Нижегородской ГЭС; двух кранов К2180/50 Саратовской ГЭС.
Результаты исследований используются в курсах лекций «Грузоподъемные машины», «Специальные краны», «Погрузочно-разгрузочные машины», «САПР ПТМ», «Теория механизмов и машин», которые читаются для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», а также в дипломном и курсовом проектировании. По материалам исследования опубликовано учебное пособие, методические указания к курсовому проектированию, которые широко используются в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
- на научно-технических конференциях «Перспективы развития подъемно-транспортной техники» (г. Одесса, 2002 г.); «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г. Астрахань, 2002 г.); конференции, посвященной 100-летию Г.П. Ксюнина (г. Новочеркасск, 2005 г.); научно-технических конференциях Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного университета (1990-2008 гг.);
- заседаниях технического совета ОАО «Строймаш» (г. Саратов, 2002 г.);
- Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, технологии» (г. Якутск, 2008 г.)
- межрегиональной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс: состояние и перспективы развития» (г. Чебоксары, 2007 г.);
- Международных научно-технических конференциях «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (г. Балаково, 2002 г.); «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2006, 2008 гг.); «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе монография и учебное пособие. Из указанного числа работ 9 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 226 наименований. Основной текст исследования изложен на 372 страницах и включает 112 рисунков, 39 таблиц, 6 приложений на 137 страницах.
