Содержание к диссертации
Введение 7
Глава I. Состояние проблемы расчета грузоподъемных кранов. Направления и задачи исследования 14
1.1. Вида расчета кранов 14
1.2. Анализ современных методов расчета, кранов на однократное действие максимальных усилий (прочность и устойчивость формы) 16
1.3. Особенности расчета устойчивости положеная край а и. его элементов 24
1.4. Анализ методов расчета кранов на многократное действие нагрузок различное величины (усталость) 28
1.5. Обзор методов определения нагрузок кранов 38
1.6. Направления и задачи исследования 49
Глава 2. Основы теории расчета кранов по предельным состояниям на прочность,устойчивость формы и усталость 58
2.1. Краткая качественная характеристика случайных процессов натрушення элементов крана в условиях эксплуатации. 58
2.2. Разработка теории расчета кранов по предельным состояниям на прочность и устойчивость формы 66
2.2.1. Вывод основных расчетных соотношений 68
2.2.2. Общий анализ основных расчетных соотношений 78
2.3. Два актуальных следствия разработанной теории расчета кранов по предельным состояниям пергой группы .106
2.3.1. Теоретическая оценка возможного снижения металлоемкости грузоподъемных кранов 106
2.3.2. Выбор испытательной нагрузки кранов для их технического освидетельствования Ц2
2.4. Развитие т,есрии расчета кранов яо предельным состоя ниям на усталость 122
2.4.1. Схематизация процессов натрушення металлических конструкций 126
2.4.2. Анализ влияния случайных нагрузок на усталость металлических конструкций кранов ІЗГ
2.5. Выводы 158
Глава 3. Исследование статики и динамики башенных кранов при детерминированных внешних воздействиях 162
3.1. Расчетные схемы башенных кранов как упруго- динамических систем. Основные вопросы разработки расчетных схем и расчета их параметров 162
3.1.1. Общая характеристика расчетных схем башенных: кранов как упруго-динамических систем . 163
3.1.2. Основные положения расчета упруго-динамических параметров башенных кранов 172
3.2. Общий анализ колебаний башенных кранов 176
3.2.1. Колебания кранов в плоскости подвеса 178
3.2.2. Колебания кранов из плоскости подвеса при повороте 184
3.2.3. Колебания кранов из плоскости подвеса при передвижении 192
3.3. Определение параметров высокочастотных составляющих колебаний башенных кранов 195
3.4. Снижение интенсивности горизонтальных колебаний башенных кранов при работе механизма подъема 204
3.5. Определение параметров низкочастотных составляющих колебаний башенных кранов (горизонтальных колебаний груза) 209
3.6. Исследование колебании и динамических нагрузок при одновременной работе механизмов поворота и передвижения. 216
3.7. Выводы 232
Глава 4. Исследование динамики кранов при случайных внешних воздействиях 235
4.1. Основы спектральное теории силовых воздействий механизмов кранов при работе в повторно-кратковременной режиме ;,... 235
4.1.1. Анализ приводов механизмов кранов как дискретных систем . 238
4.1.2. Экспериментальное исследование потоков переключений приводов механизмов башенных кранов 244
4.1.3. Анализ спектральной плотности силовых воздействий механизмов кранов при работе в повторно-кратковременном режиме 252
4.2. Общий анализ динамики кранов как линейно-упру гих систем при случайны;-: внешних воздействиях 266
4.2.1. Анализ вторых моментов динамических нагрузок и колебаний кранов как стационарных процессов 270
4.2.2. Анализ вторых моментов динамических нагрузок и колебаний кранов как нестационарных процессов 276
4.2.3. Анализ особенностей вторых моментов динамических нагрузок и колебаний кранов при воздействии на них потока импульсов прямоугольной формы 284
4.2.4. Анализ соотношений кекду реакцией линейной упругой системы на воздействие одиночного импульса и пуасооновского потока импульсов 287
4.2.5. Результаты статистического моделирования воз действия импульсных случайных процессов на краны как линей- о-упрутие системы 289
4.3. Исследование дисперсий динамических нагрузок башенных кранов при работе механизмов в повторно-кратко временном режиме 293
4.3.1. Анализ дисперсий отдельных cJopM стационарных колебаний кранов при работе механизмов е повторно-кратковременном режиме 2ЭЗ
4.3.2. Определение стационарных дисперсий динамических нагрузок и усилий от них в элементах башенных кранов при работе механизмов в повторно-кратковременном режиме. 299
4.3.3. Анализ дисперсий динамических нагрузок и усилии от них 305
4.4. Выводы 314
Глава 5. Основы общей теории устойчивости свободно стоящих кранов против опрокидывания 317
5.1. Устойчивость свободно стоящих кранов против опрокидывания при детерминированный: внешних воздействиях, 317
5.2. Устойчивость свободно стоящих: кранов против опрокидывания при случайных динамических воздействиях 324
5.2.1. Определение верхней оценки для вероятности потери устойчивости свободно стоящего крана как детеркини-роЕанкой системы 329
5.2.2. Анализ влияния колебании груза на вероятность потери устойчивости крана 343
5.3. Основные соотношения метода расчета кранов по предельным состояниям на устойчивость против опрокидывания. 350
5.4. Определение реакции крана на случайные опрокидывающие динамические воздействия 357
5.4.1. Определение реакции крана яа силовые воздействия механизмов при работе в повторно-кратковременном режиме „ 357
5.4.2. Определение реакции крана на пульсацию ветра. 35
5.5. Выводы 364
Глава 6. Система расчета башенных: краноЕ по предельным состоянняїл. Технике—экономическая эффективность от ее внедрения в народное хозяйство 367
6.1. Основные положения системы расчета башенных: кранов по предельным состояниям (по ГОСТ 13994-81 и РД 2201-6-79) 367
6.2. Технико-экономическая эсбйективность от внед- рения результатов работы в народное хозяйство . 385
Заключение 386
Литература 395
Приложение 424
Введение к работе
w
Диссертация посвящена теоретическому обобщению и решению крупной научной проблемы в области грузоподъемных кранов, имеющей важное народнохозяйственное значение. Решение проблемы заключалось в развитии теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям и апробации ее новых положений на примере башенных кранов путем внедрения в создаваемые и модернизируемые машины.
Цель исследования: разработать и внедрить новую систему норм и методов расчета до предельным состояниям, направленную на создание эффективных башенных кранов и снижение их металлоемкости.
Башенные краны широко применяют в строительстве и других отраслях народного хозяйства. Их парк в СССР по данным ЦСУ достигает 50000 единиц и включает большое число разновидностей и типоразмеров, предназначенных для различных условий работы. Ежегодно в народном хозяйстве производят около 3000 башенных кранов. При этом только на изготовление их металлических конструкций расходуют до I500G0 тонн металла, преимущественно в виде стального проката и труб. Возрастающие объемы и темпы строительства, укрупнение возводимых сооружений и их деталей, интенсификация всего общественного производства требуют создания новых башенных кранов с более высокими параметрами [ 10,163,181, 205] . Уже сейчас изготавливают башенные краны тяжелого режима для гидротехнического строительства с грузовым моментом 1000 т.м и более, а также проектируют монтажные краны легкого режима с грузовым моментом 20000 т.м. Имеется необходимость в создании башенных лесопогрузчиков грузоподъемностью 32 т. Высота подъема современными свободно стоящими башенными кранами превышает 100 м, а скорости подъема грузов достигли: номинальных 100 м/мин, более легких 350 м/шн [ 159] .
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года в области машиностроения предусмотрено значительно увеличить масштабы создания, освоения и внедрения в производство высокоэффективной техники, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности на внешнем рынке. Наряду с этим требуется существенно сократить сроки создания и освоения новой техники, обеспечив в 1985 году по сравнению с 1980 годом снижение норм расхода в среднем: проката черных металлов на 18-20 процентов, труб стальных на 10-12 процентов. Все сказанное относится также к башенному краностроению. Поэтому можно констатировать, что работы, направленные на ускоренное создание новых высокоэффективных башенных кранов ж снижение их металлоемкости, имеют ванное народнохозяйственное значение. Для достижения намеченных показателей необходимо комплексно решить ряд крупных научных, конструкторско-технологических и экономических проблем. Среди них проблеме расчета принадлежат важное место.
Расчеты башенных и других грузоподъемных кранов имеют общую теоретическую основу. В расчетах необходимо учитывать срок службы, надежность, режим и условия окружающей среды. Краны могут представлять опасность для обслуживающего персонала ж лиц, находящихся в зоне их действия. Поэтому основные положения расчета, показатели режима и условий окружающей среды для кранов у нас в стране и за рубежом регламентируют государственным законодательством и стандартизируют. Аналогичную работу проводят в международном масштабе в рамках СЭЗ и ИС0.
Расчеты башенных и других грузоподъемных кранов рассматри вали во многих исследованиях. Однако интерес к проблеме не ослабевает, о чем свидетельствует непрерывное изменение норм расчета этих машин в СССР и за рубежом. Напротив, значение совершенствования расчетов возрастает в связи с необходимостью повышения эффективности, надежности, снижения материалоемкости, энергоемкости ж общей стоимости новой техніки.
В создании современных методов расчета грузоподъемных кранов ведущая роль принадлежит советским ученым: М.Л.Александрову, П.Й.Богуславскому, А.А.Зайнсону, Д.П.Волкову, М.М.Гохбергу, А.Й.Дукельскому, С.А.Казаку, Б.С.Ковальскому, М.С.Комарову, А.Г.Лангу, П.З.Петухову, В.Ф.Сиротскому и другим. За рубежом большой вклад в развитие методов расчета внесли: Ф.Зедльмайер, Ф.Курт, АЛуттерот, Р.Нойгебауэр, М.Шеффлер и другие.
Несмотря на большие достижения в области расчета грузоподъемных кранов, в том числе башенных, многие вопросы, выдвигаемые практикой проектирования, все же остались нерешенными. С одной стороны, современные методы теоретической (строительной) механики и теории упругости,особенно, с применением электронных пийровых вычислительных машин (ЭЦВМ) позволяют принципиально точно определить напряжения (усилия) в элементах кранов и их перемещения от заданных внешних силовых воздействий. С .другой стороны, выполнение условий прочности, устойчивости, долговечности и других оценивают весьма приближенно. Конструкторы и составители норм только в меру опыта назначают расчетные сочетания нагрузок и коэффициенты при сопоставлении действующих усилий и сопротивлений. Соответственно и роль научного анализа в значительной степени ограничивают обобщением опыта проектирования и эксплуатации кранов. Из-за этого нормы часто оказываются малоэффективными, особенно, при создании нетрадиционных конструкций, предназначенных для применения в необычных условиях, и использовании новых материалов. Именно тогда остро ощущают малую гибкость и универсальность эмпирических норм, отсутствие аналитических методов для их обоснования. Все это свидетельствует о том, что теория и общие метода расчета кранов нуждаются в дальнейшем развитии. Применяемые норми и методы расчета из-за перечисленных принципиальных недостатков приводят обычно к неоправданному перерасходу металла, удорожают и затягивают совершенствование и создание новых высокоэффективных ж надежных кранов. Эти недостатки мош-го устранить, как показывает анализ, только с позиций вероятностных теории надежности механических систем и нагрузок.
3 диссертации изучены и развиты с указанных позиции важнейшие разделы теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям. Предложены аналитические методы, практически исключающие необходимость эмпирического назначения расчетных нагрузок и коэффициентов при сопоставлении действующих усилии к сопротивлении .
rt защите представлена совокупность новых и достоверных научных положений и результатов, имеющих существенное теоретическое значение для проблемы расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям. Она содержит: разработку основ теории расчота конструкций кранов на прочность и устойчивость формы; развитие теории расчета конструкций кранов на усталость; исследование статики и динашки башенных кранов при детершнированных внешних"воздействиях; исследование динашки кранов ігри случайных внешних воздействиях; разработку основ теории расчета свободно стоящих кранов на устойчивость против опрокыдызания.
Научная новизна проведенного исследования представлена следящими результатами: 1)теоретически изучены в зависимости от характерных для грузоподъемных кранов случайного нагружеиия и со-ггротивдения конструкций,срока службы,режима и условий окружающей среды вероятности наступления предельных состояний, определяющих прочность,устойчивость формы и усталость конструкций кранов, а также устойчивость свободно стоящих кранов против опрокидывания; 2) установлены общие для всех грузоподъемных кранов предельные (расчетные) соотношения между нагрузками ж сопротивлениями конструкций, гарантирующие наступление каждого предельного состояния при определенном режиме и условиях окружающей среды в течение срока службы о вероятностью не более заданной; 3)обнарунены на основе разработанной теории скрытые до сего времени резервы снижения металлоемкости металлических конструкции и повышения надежности и безопасности кранов в эксплуатации, намечены пути использования этих резервов; 4)разработаны основы общей теории устойчивости свободно стоящих кранов против опрокидывания, зключая ее детерминистический и вероятностный аспекты; 5)разработаны основы спектральной теории силовых воздействий крановых механизмов при работе в типичном для них случайном повторно-кратковременном режиме, являющейся ключевой в статистической .динамике кранов; 6)выявленн и изучены особенности динамики башенных кранов как упругих систем при их колебаниях, включая динамические нагрузки, появляющиеся при одно-кратком разгоне (торможении) отдельных механизмов и одновременном разгоне (торможении) двух механизмов, в зависимости от упруго-динамических свойств конструкции и параметров приводов; 7)изучены основные вопросы статистической динамики грузоподъемных кранов как линейно упругих систем в стационарных и нестационарных режимах и разработаны методы определения дисперсий динамических нагрузок, возникающих при работе механизмов в повторно-кратковременном режиме и пульсации скорости ветра, рекомендуемые для практического применения.
Достоверность полученных результатов достигнута путем: применения адекватных методов аналитического исследования, в том чис ле теории вероятностей и случайных процессов; использования современных методов экспериментального исследования, в частности, предусматривающих регистрацию изменяющихся во времени механических величин, и соответствующих методов обработки результатов эксперимента; выбора апробированных физических предпосылок; обоснования расчетных моделей результатами экспериментального исследования и математического моделирования на ЭВМ; сопоставления результатов аналитического исследования с данными экспериментов и математического моделирования.
Практическая ценность. Проведенные научные исследования и полученные результаты; 1)обеспечили возможность разработки новой системы методов и норм расчета по предельным состояниям на заданный срок службы, режим и условия окружающей ореды, направленной на создание эффективных, надежных башенных кранов и снижение их металлоемкости; 2)создали предпосылки для разработки новых, экономичных и гибких методов и норм расчета по предельным состояниям грузоподъемных кранов других типов; 3)выявили эффективные направле-ния дальнейших научных ж конотруктороко-технологических работ по снижению металлоемкости грузоподъемных кранов и повышению их надежности и безопасности в эксплуатации.
Реализация результатов работы. Разработана новая система методов и норм расчета башенных кранов по предельным состояниям, которая внедрена в народное хозяйство с помощью ряда государственных и других нормативных документов. Среди них ГОСТ 13994-75 и ГОСТ 13994-81 "Краны башенные строительные. Нормы расчета", руїсоводящии документ РД-22-0І-6-79 "Краны башенные строительныэ. Стальные конструкции. Нормы расчета на усталость", руководящий технический материал РТМ 2201-70-69 "Краны башенные строительные. Нагрузки. Методы испытаний". Отдельные положения проведенной работы были использованы в более ранних нормативных документах ОИ-783-63 и ГОСТ 13994-68, а также ігри разработке международных документов СЗВ_и ИСО по расчету кранов. По новым нормам выполнены расчеты выпускаемых в настоящее время в отрасли строительного и дорожного машиностроения башенных кранов. Созданные с учетом результатов настоящей работы башенные краны эффективны, надежны и имеют меньшую металлоемкость по сравнению с кранами, выпускавшимися ранее, повысилась их конкурентоспособность на внешнем рынке. Новые нормы используют при создании уникального башенного крана с грузовым моментом 1000 т.м. для строительства гидротехнических сооружении, предусмотренной целевой комплексной научно-технической программой С.Ц.03І, разработанной Госстроем, ГКЙТ и Госпланом СССР. Яри изучении курса "Специальные грузоподъемные краны" сту- " дентам (специальность Q5I0) излагают основы расчета башенных кранов по ГОСТ 13994-81. Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложены в монографии и в 32-х научных статьях, опублшсованных в периодической печати, сборниках докладов, научно-технических конференций и научных трудах институтов, а также 2-х авторских свидетельствах.
Апробация. Основные разделы работы доложены, обсуждены и одобрены на 1 ой и П-ой Всесоюзных научно-технических конференциях по динамике крупных машин; на Всесоюзном научно-техническом совещании по теории, расчету ж эксплуатации грузоподъемных машин; на научно-технических конференциях МИСИ им. В.В.Куйбышева и ВЗЖ; пять раз на заседаниях НТО ВШИстройдормаша по башенным кранам, два раза на специальных заседаниях Советской части ИС0/ТК96 по грузоподъемным кранам.
Диссертация выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте строительного и дорожного машиностроения.
