Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования ... 10
1.1. Анализ тенденций развития кранов-трубоукладчиков 10
1.2. Обзор предшествующих исследований 22
1.3. Анализ существующих устройств управления краном-трубоукладчиком 24
1.4. Обзор математических моделей кранов-трубоукладчиков 30
1.5. Обзор математических моделей трубопровода 33
1.5.1. Математическое описание трубопровода с точки зрения недопущения его разрушения 33
1.5.2. Математическая модель моментов, действующих со стороны трубопровода на краны-трубоукладчики 35
Выводы по главе 37
2.Общая методика исследований 38
2.1. Методика теоретических исследований 38
2.2. Методика экспериментальных исследований 45
2.3. Структура выполненной работы 48
Выводы по главе 49
3. Математическоеописание трубоукладочной колонны 50
3.1. Модель объекта исследования 50
3.2. Обоснование обобщенной расчетной схемы крана трубоукладчика 51
3.3. Математическая модель крана-трубоукладчика 54
3.3.1. Обоснование расположения локальных систем координат для математического описания КТ 54
3.3.2. Уравнения кинематики звеньев динамической системы крана-трубоукладчика 57
3.3.3. Уравнения кинематики упруговязких элементов 59
3.3.4. Уравнения динамики системы крана-трубоукладчика
3.4. Математическое описание трубопровода 68
3.5. Математическое описание гидропривода крана-трубоукладчика 7
3.6. Математическое описание микрорельефа, по которому движется трубоукладочная колонна 78
3.7. Математическая модель системы управления краном-трубоукладчиком, входящим в состав трубоукладочной колонны 81
Выводыпоглаве 83
4. Результаты теоретических исследований трубоукладочнойколонны 85
4.1. Теоретическое исследование процесса управления положением крюковой обоймы грузоподъемного крана 85
4.2. Обоснование критерия эффективности устройства управления трубоукладочной колонной 4.2.1. Обоснование параметров математической модели трубоукладочной колонны, подлежащих исследованию 96
4.2.2. Обоснование границ варьируемых параметров, определение условий проведения теоретических исследований 97
4.3. Анализ основных параметров, влияющих на грузовой момент крана-трубоукладчика 100
4.4. Оптимизационный синтез параметров трубоукладочной колонны 103
Выводы по главе 110
5. Инженерные разработки. экспериментальные исследования трубоукладочнойколонны 111
5.1. Алгоритм работы устройства управления трубоукладочной колонной 111
5.2. Обоснование информационных параметров процесса управления трубоукладочной колонной 115
5.3. Устройство стабилизации грузового момента крана-трубоукладчика 117
5.4. Экспериментальное исследование трубопровода. Подтверждение адекватности математической модели трубопровода 119
5.5. Инженерная методика оптимизации основных параметров системы управления кранами-трубоукладчиками, работающими в трубоукладочной колонне 127
5.6. Расчет экономической эффективности внедрения системы управления трубоукладочной колонной и устройства стабилизации грузового момента 128
Выводыпоглаве 130
Основныерезультатыи выводы по работе 132
Списоклитературы 134
- Анализ существующих устройств управления краном-трубоукладчиком
- Методика экспериментальных исследований
- Обоснование расположения локальных систем координат для математического описания КТ
- Обоснование критерия эффективности устройства управления трубоукладочной колонной
Анализ существующих устройств управления краном-трубоукладчиком
Все отечественные и импортные краны-трубоукладчики имеют однотипные конструкции и включают в себя: базовый трактор, навесное оборудование, приборы безопасности и контроля, систему управления навесным оборудованием [16, 87].
Производство отечественных гусеничных трубоукладчиков сосредоточено в основном на двух тракторных заводах - ОАО «Промтрактор» (бывший Чебоксарский завод промышленных тракторов) и ООО «Челябинский тракторный завод - Уралтрак». Трубоукладчики, выпускаемые ООО «Березовский ремонтно-механический завод», базируются на тракторах, поставляемых с Челябинского тракторного завода, на которые устанавливают трубоукладочное оборудование.
Трубоукладчики малой грузоподъемности по отдельным заказам выпускались ОАО «Газстроймаш» с поставкой с тракторных заводов (челябинского и волгоградского) необходимых узлов, агрегатов и систем трансмиссии, ходовой части, верхнего строения и систем управления. КТ используются на строительстве трубопроводов диаметром от 200 до 1 420 мм и предназначены для погрузки-разгрузки прибывающих на строительство труб, удержания их в поднятом состоянии при осуществлении сварочных операций в плети, сопровождения очистительного и изоляционного оборудования, транспортировки готовых плетей с последующей их укладкой в траншею. Трубоукладчики как грузоподъемное оборудование используются при выполнении строительно-монтажных работ, при ремонте трубопроводных систем. Особенностью работы трубоукладчиков в составе колонны является переменный характер нагрузок, зависящий от массы и упругости поднимаемой плети, рельефа местности, а также синхронности действий операторов других трубоукладчиков.
Трубоукладчики классифицируются по номинальной грузоподъемности, типу ходового устройства, типу привода грузоподъемного оборудования, системе автоматического управления (рисунок 1.2, а и 1.2, б, таблица 1.1) [21, 57]. За главный параметр принята грузоподъемность КТ. К настоящему времени в мировой практике применительно к КТ используется два понятия грузоподъемности: «lift capacity» и «load capacity». Понятие «lift capacity» по стандарту SAE 743В трактуется как величина груза на крюке, который трубоукладчик поднимает на данном вылете, но при этом ни один из опорных катков ходовой системы со стороны, противоположной стреле, не должен отрываться от беговой дорожки гусеницы более чем на 6 мм (0,25 дюйма).
В настоящее время согласно стандарту ISO 8813 это понятие трактуется как максимальная грузоподъемность на конкретном вылете. Обычно грузовая характеристика по этому стандарту приводится в технических материалах.
Термин «load capacity» по стандарту ANSI/ASME В30.14 обозначает величину нагрузки, составляющую для гусеничных трубоукладчиков 85 % максимальной грузоподъемности. Этот стандарт допускает ее уменьшение на некоторых участках грузовой характеристики, если безопасность ограничивается не опрокидыванием машины, а прочностью конструктивных элементов. Этим же стандартом определяется подход к установлению рабочего диапазона грузовой характеристики.
В нашей стране при классификации по номинальной грузоподъемности за основу принимается максимально допустимая нагрузка на крюке трубоукладчика при работе с единичными грузами. ГОСТ 15150 предусматривал пять типоразмеров трубоукладчиков номинальной грузоподъемности: 6,3; 12,5; 20; 32 и 50 т.
Для определения уровней грузоподъемности трубоукладчиков в отечественной практике приняты два значения вылета грузоподъемного трубоукладочного оборудования. Для определения максимальной грузоподъемности вылет принимается равным 1,2…1,25 м (в среднем 1,22 м), а для определения номинальной грузоподъемности в заданном рабочем диапазоне вылет принимается равным 2,5 м.
Отечественной промышленностью освоено производство трубоукладчиков во всех категориях грузоподъемности. ОАО «Газстроймаш» и Кропоткинский машиностроительный завод по отдельным заказам выпускают гусеничные трубоукладчики легкой категории с моментом устойчивости 160 кНм и номинальной грузоподъемностью 6,3 т моделей ТГ-61 и ТГ-62. ООО «ЧТЗ – Уралтрак» выпускает трубоукладчики двух уровней грузоподъемности 12,5 и 20 т со стрелами длиной 7 и 9 м, с откидываемым и неоткидываемым блоками противовесов на базе специальной модификации (комплектации) промышленного трактора болотоходного исполнения тягового класса 10. Основное отличие трубоукладчиков ТР 12.27.06 и ТР 20.27.06 от моделей ТР 12.21.01 и ТР 20.21.01 состоит в плавном и бесступенчатом изменении скоростей подъема крюка и стрелы (в широком диапазоне), что снижает динамику нагружения и повышает точность монтажа плетей трубопроводов. Это достигнуто за счет применения лебедок ЛГ-35 (ЛГ-55) с гидростатическим регулируемым приводом. ООО «Березовский ремонтно-механический завод» на базе тракторов ЧТЗ выпускает пять моделей гусеничных трубоукладчиков, одна из которых (ТБ-4) имеет выносную опору, устанавливаемую на противоположную сторону траншеи, что позволяет повысить грузоподъемность трубоукладчика.
Методика экспериментальных исследований
На основе кинематической модели КТ может быть получена его динамическая модель. Для этого в данной работе был использован метод дифференциальных уравнений Лагранжа второго рода [24, 46, 75, 77]: где P - потенциальная энгия; К - кинетическая энергия; Ф - диссипативная функция; Fj - действующая по обобщенной координате сила; t - время; q j -обобщенная координата; q )- обобщенная скорость.
В векторно-матричном виде полученная система дифференциальных уравнений принимает вид где q "- матрица ускорения; q - матрица скорости; q- матрица перемещения; А матрица инерцы; В - матрица демпфирования; С - матрица жесткости; F матрица внешних сил. Коэффициентами дифференциальных уравнений выступают функции конструктивных параметров и больших значений обобщенных координат, что позволяет перейти от малых перемещений к большим при помощи способа поэтапного интегрирования представленных дифференциальных уравнений [45]. Применительно к данной системе дифференциальных уравнений способ поэтапного интегрирования сводится к периодическому пересчету коэффициентов дифференциальных уравнений во время переходного процесса с учетом больших значений обобщенных координат, скорректированных на текущую величину малых отклонений обобщенных координат. Одновременно с этим малые отклонения обобщенных координат обнуляются. Текущие значения обобщенных скоростей и обобщенных ускорений при пересчете коэффициентов не изменяются и передаются в качестве начальных условий для решения новой системы дифференциальных уравнений. Такие параметры, как приведенные жесткости и вязкости элементов ходового оборудования, также могут быть изменены при пересчете коэффициентов во время переходного процесса, что позволяет моделировать отрыв гусениц от опорной поверхности при движении по микрорельефу.
Математическая модель, разработанная на основе данных уравнений, позволяет решить задачи динамики, кинематики и статики, а также проводить исследования КТ в различных эксплуатационных режимах.
Методика экспериментальных исследований При комплексном методе исследований необходимо проведение экспериментальных исследований, основными задачами которых являются: подтвердить адекватность полученных математических моделей объекта исследования; определить численные параметры математических моделей объекта; подтвердить работоспособность и эффективность полученных технических решений и внедрить результаты исследования в производство [48].
Математическая модель трубоукладочной колонны состоит из математических моделей: крана-трубоукладчика, трубопровода, гидропривода, микрорельефа, системы управления. Модели гидропривода и микрорельефа достаточно хорошо изучены и математически описаны. Математические модели КТ и трубопровода разработаны с элементами научной новизны, что требует подтверждения их адекватности. Для этого необходимо: 1. Провести натурный эксперимент для получения массива экспериментальных данных. 2. Провести машинный эксперимент при определенных параметрах и условиях для получения теоретических данных. 3. Оценить адекватность полученных математических моделей путем сравнения теоретических и экспериментальных данных.
Проведение экспериментальных исследований основано на двух методах -активном эксперименте и пассивном эксперименте [48, 84].
При пассивном эксперименте выполняется наблюдение за выходными координатами без вмешательства в саму систему. Результатом пассивного эксперимента является подтверждение адекватности математических моделей, эффективности предложенных инженерных решений и работоспособности конструкторских разработок [84].
При активном эксперименте в сложной динамической системе и ее подсистемах формируются детерминированные воздействия. При этом по выходным координатам и переходным процессам оценивают свойства объекта [84].
В диссертации использовалась методология как пассивного, так и активного эксперимента. Для подтверждения адекватности экспериментальных данных использовался такой показатель, как доверительная вероятность Рх. В диссертации пользовались значением Рх « 0,95. 2о где щ - коэффициент вариации измеряемой величины; дт - относительная погрешность математического ожидания; д0 - относительная погрешность среднеквадратического отклонения.
Обоснование расположения локальных систем координат для математического описания КТ
Анализ полученных зависимостей позволил сформулировать следующие выводы: для реализации разработанного алгоритма коррекции угла отклонения от вертикали грузового каната крана-трубоукладчика, работающего в составе трубоукладочной колонны, необходимо применение САУ на базе бортовой вычислительной машины. Это обусловлено наличием достаточно сложных нелинейных зависимостей и переменных ограничений. В состав указанной подсистемы САУ необходимо включить следующие датчики первичной измерительной информации: датчик угла у наклона стрелы КТ, датчик угла ft отклонения грузового каната КТ от вертикали в поперечной плоскости, датчик длины грузового каната на барабане (до полиспаста) Lб. Последний датчик первичной информации может быть исключен из подсистемы САУ путем использования в алгоритме некоторого постоянного значения длины L, однако это приведет к систематическому накоплению погрешности угла на каждом шаге коррекции, что иллюстрируют рисунки 4.7 и 4.8. То есть нецелесообразно исключение третьего первичного информационного параметра из рассмотрения, чему препятствует также переменный характер ограничений, накладываемых на значение L (см. рисунки 4.7, 4.8).
Для обеспечения грузовой устойчивости трубоукладочной колонны необходимо выполнить следующие требования: 1) обеспечить допустимую загруженность каждого крана-трубоукладчика; 2) предотвратить повреждения трубопровода; 3) предотвратить совпадения по частоте колебаний трубопровода с собственными колебаниями кранов-трубоукладчиков; 4) обеспечить плавный подъем и опускание крюковой обоймы. Перечисленные требования приведены в приоритетном порядке.
Грузовая устойчивость колонны достигается равномерной загруженностью КТ за счет изменения высоты крюковой обоймы и расстояния между КТ, а также изменением частоты колебания трубопровода с целью исключения ситуации совпадения частоты колебания трубопровода и кранов-трубоукладчиков.
При движении трубоукладочной колонны по неровностям рельефа происходит постоянное перераспределение нагрузки между кранами-трубоукладчиками, машинисты КТ не всегда правильно оценивают загруженность своих КТ и черезмерно разгружают их, тем самым перегружая соседние КТ. Поэтому высота подвеса крюковой обоймы должна регулироваться на основе текущего состояния высот всех КТ и их грузовых моментов. С целью предотвращения повреждения трубопровода расстояния между КТ должны варьироваться строго в рамках расстояний, указанных в технологической схеме, что зачастую машинисту КТ не удается выполнить. Трубоукладочная колонна это сложная динамическая система, где взаимодействуют между собой две динамические системы: трубопровод и кран-трубоукладчик, каждая из которых имеет собственную частоту колебаний. При совпадении по частоте колебаний трубопровода и собственных колебаний КТ происходит вхождение всей трубоукладочной колонны в резонанс, в результате чего происходит опрокидывание колонны. Излишнее раскачивание трубопровода на крюках кранов-трубоукладчиков можно исключить, обеспечив плавный подъем и опускание крюковой обоймы и исключив излишние включения устройства управления.
Для оценки грузовой устойчивости КТ используют статические и динамические характеристики. К статическим характеристикам грузовой устойчивости КТ относятся [87]: момент грузовой устойчивости Муст - это произведение максимальной силы тяжести, при которой не происходит отрыва правой гусеницы КТ от опорной поверхности, на вылет стрелы КТ относительно ребра опрокидывания; номинальный грузовой момент Мном - это момент, равный произведению заявленной производителем максимальной грузоподъемности КТ на данном вылете стрелы на этот вылет; грузовой момент Мгр - это текущий момент, равный произведению силы, действующей на крюковую обойму КТ, на текущий вылет стрелы КТ относительно ребра опрокидывания КТ; угол грузовой устойчивости ауст - это предельный угол наклона КТ в сторону груза, при котором сохраняется поперечная устойчивость КТ.
Частотный спектр динамических воздействий трубопровода на КТ достаточно широк, его условно можно разделить на две группы: высокочастотные и низкочастотные воздействия. На поперечную устойчивость КТ оказывают влияние низкочастотные колебания. Особую опасность представляют резонансные частоты, когда собственные частоты колебаний элементов КТ совпадают с частотой воздействий [39, 59]. Поэтому основной задачей устройства стабилизации грузового момента (УСГМ) является предотвращение совпадения по частоте этих колебаний. Используя описанную в разделе 3 математическую модель КТ и результаты экспериментальных исследований, можно определить частоту собственных колебаний КТ и трубопровода. Для расчета УСГМ необходимо знать массу на крюке, жесткость и вязкость УСГМ, а также передаточное отношение полиспаста. Уравнение движения крюковой обоймы КТ в случае применения УСГМ будет иметь вид неоднородного дифференциального уравнения второго рода [39, 40]:
Обоснование критерия эффективности устройства управления трубоукладочной колонной
Как видно из рисунка 5.9, расхождение экспериментальных и теоретических данных не превышает 6 %, поэтому можно сделать вывод об адекватности предложенной математической модели трубопровода.
Для определения собственных колебаний трубопровода и оголовка стрелы в работе использовался метод видеосъемки, успешно применяемый на дорожностроительных машинах [96]. Поэтому переходные характеристики трубопровода и КТ вычислялись графоаналитическими методами по результатам видеосъемки с первоначальным составлением временных таблиц и построением графиков перемещений. где /тах - максимальная частота спектра непрерывного сигнала, Гц. То есть квантование исследуемого процесса должно происходить с частотой, по крайней мере, вдвое большей, чем частота его наивысшей составляющей.
В данных исследованиях максимальная частота колебаний трубопровода составила 3 Гц. Для КТ частота составила 1 Гц. Скорость видеосъемки должна при этом составлять более 6 кадров/с.
Во втором опыте плеть трубопровода длиной 22 м поднималась КТ на высоту 2,05 м, в точке К2 на конце трубопровода закреплялась лазерная указка, направленная на планшет с сеточной разметкой с шагом сетки 1 мм. Второй конец трубопровода (точка К\) был жестко закреплен. На расстоянии 2 м на штативе устанавливалась видеокамера, направленная на планшет, которая фиксировала перемещение лазерного луча (рисунке 5.10).
Полученные в результате киносъемки перемещения (таблица 5.2) послужили основой для определения переходной характеристики трубопровода, математического ожидания М(х), дисперсии Д(х), среднеквадратического
Как видно из рисунка 5.11, расхождение экспериментальных и теоретических данных не превышает 4 %, поэтому можно считать адекватной предложенную математическую модель трубопровода.
Для экспериментального исследования математической модели самого КТ был использован КТ марки ТО 1224Е1, на оголовке стрелы которого была закреплена лазерная указка, направленная на планшет с размерной сеткой. Перед планшетом была установлена видеокамера, на которую фиксировалось положение лазерного луча. Перед правой гусеницей устанавливалась искусственная неровность из бетонного блока, производился наезд на нее со скоростью 1 м/с. После наезда с помощью нивелира и мерной рейки были проведены измерения разницы между высотой блока и экспериментальной площадки. Высота неровности составила 0,23 м (рисунок 5.12).
Полученные в результате киносъемки перемещения (таблица 5.3) послужили основой для определения переходной характеристики КТ: математического ожидания М(х), дисперсии Д(х), среднеквадратического отклонения ег(х).
Инженерная методика оптимизации основных параметров системы управления кранами-трубоукладчиками, работающими в трубоукладочной колонне Для исследуемой системы управления трубоукладочной колонной основными параметрами выступают: 1. Параметры системы управления Q, В, L, у. 2. Параметры устройства стабилизации грузового момента с, Ъ. Инженерная методика оптимизации основных параметров системы управления кранами-трубоукладчиками, работающими в трубоукладочной колонне, заключается в следующем: 1. Для имеющейся математической модели трубоукладочной колонны определяются значения постоянных параметров: а) параметры крана-трубоукладчика: длина базыХет, ширина базы 2Ш, длина стрелы Z2CT, масса трактора т0, масса противовеса т3, масса стрелы т2, координаты центров масс звеньев, осевые и центробежные моменты инерции J І х , б) параметры трубопровода: диаметр трубопровода DTP, толщина стенки трубопровода djp, плотность стали рТР; в) по технической документации определяются параметры гидропривода; 2. Определяются диапазон и шаг изменения оптимизируемых параметров системы управления трубоукладочной колонной: а) диапазон и шаг изменения подачи гидронасоса Q(Qmm, Q;Qmax) 128 б) диапазон и шаг изменения ширины зоны нечувствительности системы управления трубоукладочной колонной В(Втіп;В;Втах); в) диапазон и шаг изменения расстояния между кранами-трубоукладчиками в колонне L(Lmin;L;Lmax). 3. Задается номинальная грузоподъемность. 4. Проводятся вычисления на ПЭВМ. Оптимизируются параметры математической модели трубоукладочной колонны по критерию эффективности Кэ, составляется массив зависимостей значений КЭ\, КЭ2, КЭз от оптимизируемых параметров Q, В, L, Th Т2. 5. Проводится аппроксимация полученных численных значений Кэь КЭ2, Кэз от Q, В, L,y, Т\, Т2 методом наименьших квадратов. 6. Исключение из задачи оптимизации ограничений и граничных условий. 7. Проводится оптимизация основных параметров системы управления трубоукладочной колонной по полученным регрессионным зависимостям.
Инженерная методика доведена до уровня САПР и основана на программной поддержке системы MATLAB. Данная САПР взаимодействует с математической моделью трубоукладочной колонны посредством m-файла системы MATLAB, представляющего собой листинг программы расчета [67].
Расчет экономической эффективности внедрения системы управления трубоукладочной колонной и устройства стабилизации грузового момента
Расчет экономической эффективности внедрения системы управления трубоукладочной колонной проведен в соответствии с методическими указаниями по определению экономической эффективности капитальных вложений и технических решений в транспортном строительстве [74, 104]. Расчет произведен для трубоукладочной колонны, состоящей из пяти кранов-трубоукладчиков марки КТ-503, в условиях строительства трубопровода в Российской Федерации.
В качестве технического решения выступает применение на КТ-503 системы управления и УСГМ. Экономический эффект появляется вследствие повышения эффективности использования кранов-трубоукладчиков и сокращения неплановых ремонтов техники за счет повышения устойчивости трубоукладочной колонны. Годовой экономический эффект от внедрения системы управления трубоукладочной колонной и УСГМ можно определить как экономия годовых приведенных затрат, руб./год; Дэ - дополнительная экономия годовых текущих затрат, связанная с сокращением неплановых ремонтов, руб./год; Зк - дополнительные капитальные затраты на изготовление, монтаж и наладку системы управления трубоукладочной колонной и УСГМ; РА -доля амортизационных отчислений на реновацию и капитальный ремонт; Ен -нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, я=0,15 [74].
Дополнительный экономический эффект Дэ появляется за счет снижения годовых текущих затрат на проведение неплановых (аварийных) ремонтов КТ и складывается из следующих статей:
