Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1. Анализ существующих схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов 8
1.2. Анализ критериев оптимизации и выбор целевой функции 17
1.3. Анализ методов оптимизации и выбор метода для решения поставленной задачи 30
1.4. Анализ существующих методов расчета крановых металлоконструкций и выбор метода 53
2. Математическая модель схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов как объектов оптимизации 68
2.1. Обоснование параметров расчетной схемы металлоконструкции тяжелого козлового крана при расчете методом конечных элементов 68
2.2. Целевые функции при оптимизации геометрических параметров Поперечных сечений элементов металлоконструкций 75
2.3. Ограничения, накладываемые на целевую функцию 84
2.4. Модификация метода Хука-Дживса 91
3. Анализ схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов по критерию минимума металлоемкости 95
3.1. Анализ схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов грузоподъемностью 400 т по критерию минимума металлоемкости 95
3.2. Рекомендации по использованию схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов грузоподъемностью 400т 104
3.3. Определение влияния грузоподъемности тяжелых козловых кранов на выбор оптимальной схемы 107
4. Определение суммарных приведенных затрат на изготовление и монтаж металлоконструкций тяжелых козловых кранов, выполненных по оптимальным схемам 111
4.1. Определение суммарных приведенных затрат на изготовление и монтаж металлоконструкций тяжелых козловых кранов грузоподъемностью 400 т, выполненных по оптимальным схемам 111
4.2. Оценка эффективности использования оптимальных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов 123
5. Методика инженерного выбора схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов 125
5.1. Общие положения ... 125
5.2. Определение масс металлоконструкций 127
5.3. Определение приведенных затрат Г 136
Заключение 144
Список использованных источников ГГ 146
Приложения 160
- Анализ критериев оптимизации и выбор целевой функции
- Целевые функции при оптимизации геометрических параметров Поперечных сечений элементов металлоконструкций
- Рекомендации по использованию схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов грузоподъемностью 400т
- Оценка эффективности использования оптимальных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Тяжелые козловые краны представляют собой особую группу машин, как правило специального назначения, которые отличаются большой грузоподъемностью (100-1500т).
Применение тяжелых монтажных козловых кранов является одним из наиболее рациональных путей механизации в условиях крупноблочного строительства, получившего большое распространение при возведении таких объектов как электростанции. Характер производимых данными машинами работ и возможные последствия их отказа требуют обеспечения целого ряда достаточно жестких требований, таких как точность позиционирования, прочность, динамическая жесткость, а стремление к снижению затрат на производство и эксплуатацию ведет к необходимости их весового совершенствования.
Оптимизация металлоконструкций как правило заключается в выборе наилучшей конфигурации геометрических параметров поперечных сечений элементов, при этом принято разбивать конструкцию на части и оптимизировать каждую из них в отрыве от остальных. Данный путь, судя по всему, нельзя считать абсолютно верным, поскольку изменение жесткостных и массовых характеристик одного элемента отражается на всей металлоконструкции и высока вероятность получения неоптимальной металлоконструкции при некоторых оптимизированных таким образом элементах.
Цель работы - снижение металлоемкости металлоконструкций и энергоемкости механизмов передвижения тяжелых козловых кранов посредством выбора оптимальных схем.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи: 1.Выбран метод анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкции и целевая функция, позволяющая сравнивать схемы; 2.Выбраны и обоснованы параметры расчетных схем металлоконструкций на основе анализа напряженно-деформированного состояния;
3. Разработана модификация метода Хука-Дживса для оптимизации геомет
рических параметров поперечных сечений элементов металлоконструкций
тяжелых козловых кранов;
4. Проведено исследование различных схем металлоконструкций на опти
мальность при основных параметрах, характеризующих рассматриваемый
класс машин;
5.Разработаны рекомендации по применению схем металлоконструкций тяжелых монтажных козловых кранов при высоте подъема груза 40—100 м и пролетах 30-100 м;
Объект исследования - металлоконструкции тяжелых козловых кранов и современные методы оптимизации и анализа напряженно-деформированного состояния.
Теоретическая и методологическая основа исследования. Задачи диссертационного исследования решены на основе методов оптимального проектирования, теории матричного исчисления и численных методов.
Научная новизна диссертационной работы представлена следующими результатами, полученными впервые и имеющими важное научно-
техническое значение для проблемы оптимального проектирования крановых конструкций:
предложена методика определения оптимальных схем металлоконструкций;
разработаны целевые функции для двухуровневой оптимизации металлоконструкций тяжелых козловых кранов.
На защиту выносятся: -модификация метода Хука-Дживса
выбор и обоснование целевых функций;
результаты исследований металлоконструкций;
методика инженерного выбора оптимальных схем металлоконструкций.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке рекомендаций по выбору оптимальных схем металлоконструк
ций тяжелых козловых кранов в зависимости от параметров технического за
дания на проектирование (группы режима работы, высоты подъема груза,
пролета);
-создании методики уточненной оценки схем металлоконструкций.
Апробация работы Основные положения и результаты исследования докладывались на: I Межрегиональной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс: Состояние и перспективы развития» (Чебоксары 2007), на Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов 2007), на II и III Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (Якутск 2007, 2008,) на ежегодных научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета (2003-2008).
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы достигается применением апробированного математического аппарата (метода конечных элементов, методов оптимального проектирования) и использованием сертифицированных программных пакетов, широко применяемых для расчета металлоконструкций кранов
Реализация результатов работы Теоретические, методологические и прикладные исследования использовались в учебном процессе для студентов специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», а также внедрены на предприятии «Сибирский инженерно-технический центр СИБИНТЕХКРАН» и в ООО ИКЦ «КРАНСЕРВИС»
Личный вклад автора заключается в формировании цели диссертационной работы, в постановке задач и их решении, в разработке методологических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов к оценке оптимальности металлоконструкций тяжелых козловых кранов.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 печатных работ (11 из них без соавторов), в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 работа - в материалах Международной научно-практической конференции.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 149 наименований и приложений, изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков и 3 таблицы.
Анализ критериев оптимизации и выбор целевой функции
При решении инженерных задач часто требуется сравнение нескольких вариантов и выбор из них наилучшего. В таких случаях вводится критерий оптимальности, который находит свое отражение при составлении целевой функции. Экстремальное значение целевой функции характеризует свойство одного из наиболее важных технико-экономических показателей проектируемого объекта [5]. Целевая функция позволяет качественно сравнить несколько альтернативных вариантов. Примерами целевых функций, часто встречающихся в инженерной практике, являются вес, стоимость, прочность, габариты и другие. Однако, в каком бы виде не была представлена целевая функция, она должна быть однозначной функцией варьируемых параметров [6]. Нахождение наиболее рационального сочетания основных параметров является сложной многоуровневой оптимизационной задачей, которая должна решаться в соответствии с иерархической структурой крана [7]. На каждом уровне необходимо обосновать соответствующие критерии оптимальности, независимые (варьируемые) параметры, системы ограничений, области возможных вариантов для решения задачи оптимизации более высокого уровня. Иногда на разных иерархических уровнях можно получать противоречивые целевые функции, так например конструкция минимального веса, максимальной прочности, минимальной стоимости. Приоритеты, задаваемые целевым функциям иерархическими уровнями, на которых они находятся, отражаются в виде коэффициентов, которые получили название весовых. Многие исследователи в области оптимального проектирования машин отдают предпочтение обобщенным критериям, включающим оценку изделия по всем видам затрат на изготовление и эксплуатацию[6-13]. В качестве таких критериев наиболее часто рекомендуются минимумы суммарных затрат [8]. 8 = К + М-и (1) где К — капиталовложения; и — текущие годовые затраты; N — срок службы техники. Более точно в части капитальных затрат определяются приведенные годовые затраты в работе В. И. Брауде и Л. Н. Семенова [9] С =С +а -С (2) пр э пр к V где Сэ — годовые эксплуатационные затраты; Ск — капитальные затраты; апр — коэффициент приведения капитальных затрат к одному году. Однако, эти критерии оценивают лишь затраты и не учитывают эффект, приносимый машиной, во многом зависящий от производительности. Поэтому более совершенным является интегральный критерий качества [9]. где П, — годовая производительность машины. В качестве критерия оптимизации В.Н. Демокритовым был предложен принцип наименьших затрат [10], при этом предлагается брать приведенные затраты на одну машину в сфере ее изготовления и эксплуатации. Целевая функция при этом принимает вид: где Си — себестоимость изготовления; Ки — капитальные вложения в сфере изготовления; С3 — годовые эксплуатационные расходы; Таг — срок службы; Кэ — капитальные вложения в сфере эксплуатации. Себестоимость изготовления, согласно [11], определяется си = цм -Стм +(1+/0- {кбр+1 т " р+сб+3 ) где Цм — средняя цена единицы веса металлоконструкции; С?„ — собственный вес металлоконструкции; гровр+сб _ трудоемкость обработки со сборкой; 3бр+сб - средняя величина часовой заработной платы обработки со сборкой; X" средняя величина часовой заработной платы для сварочных работ; Кн — коэффициент накладных расходов; Тсв — трудоемкость сварки; Так для коробчатых балок трудоемкость обработки со сборкой определяют по формуле: тоОР+с6 = 05()58 . . 0,62 + 0 64 . . 0,48 где g0,gв - средние веса основной и вспомогательной детали; п0,пв - количество основных и вспомогательных деталей соответственно. Трудоемкость сварки следует определять по формуле [11]: тсв = Угсв I -1 _1иш 5 где/"7 — удельная трудоемкость одного погонного метра шва; 1шв — длина шва. Затраты на электроэнергию рекомендуется определять согласно [12]: С = Ц N е-Ф -Т , 3 э о о» где Цэ — цена 1 кВт-ч электроэнергии; — установочная мощность, кВт; е — коэффициент использования по мощности и времени; Фэ — годовой эффективный фонд времени; ТС1 - срок службы. Для кранов одинаковой грузоподъемности и скорости подъема переменной величиной в основном является энергоемкость механизма передвижения, так как она зависит от массы металлоконструкции. Энергоемкость механизма передвижения крана следует определять по формуле [11]: _Ца-е-Фэ-Та-р-у , э — 1 пп 102 -1] где V — скорость передвижения крана, м/с; р. — коэффициент сопротивления передвижению; 7 — КПД механизма передвижения крана; Ом — металлоемкость металлоконструкции крана. Автор в данном случае пренебрег капитальными затратами при эксплуатации, которые включают в себя главным образом стоимость подкрановых путей, так как в пределах варьирования металлоемкость металлоконструкции крана либо не изменяется, либо изменяется на незначительную величину.
Целевые функции при оптимизации геометрических параметров Поперечных сечений элементов металлоконструкций
В процессе проектирования любого материального объекта, разработчику приходится сталкиваться с целым рядом требований, которые необходимо учитывать для выполнения той или иной функции. При оптимизации данные требования преобразуются в так называемые ограничения, которые накладываются на конфигурации варьируемых параметров, а через них и на возможные значения целевой функции.
Для тяжелых козловых кранов наиболее важными являются требования, предъявляемые к прочности, жесткости, устойчивости, то есть требования, характеризующие механические характеристики крана.
Для рационального назначения ограничений, накладываемых на целевую функцию необходимо проанализировать напряженно-деформированное состояние элементов металлоконструкции с целью выявления внутренних силовых факторов, которые могут оказать влияние на механические характеристики анализируемого элемента.
Многолетняя практика конструирования и изготовления тяжелых козловых кранов убедительно показывает, что наиболее перспективными являются однобалочные модели, которые практически всегда имеют меньшую металлоемкость чем аналогичные по характеристикам двухбалочные.
Таким образом, необходимо проанализировать именно те силовые факторы, которые оказывают влияние на напряженно-деформированное состояние однобалочных тяжелых козловых кранов.
Несомненно, наиболее важным требованием, предъявляемым к метало- конструкциям тяжелых козловых кранов, является требование обеспечения прочности.
Практически каждый элемент металлоконструкции тяжелого козлового крана испытывает сложное напряженное состояние, характеризуемое воздействием сразу нескольких силовых факторов. Так пролетное строение подвержено одновременному воздействию изгибающего момента, сжимающих сил, а при несимметричной загрузке еще и крутящего момента. Стойки опор также подвержены воздействию сжимающей силы и изгибающего момента. Имеются, однако элементы, напряженно-деформированное состояние которых зависит преимущественно от одного вида внутренних силовых факторов. Так подкосы работают на сжатие или растяжение, а нижние ригели испытывают воздействие в основном изгибающего момента.
Специальные козловые краны преимущественно рассчитываются по допускаемым напряжениям от нагрузок рабочего и нерабочего состояния [17, 18]. Ввиду того, что козловые краны работают на открытом воздухе при разном направлении ветра, металлоконструкция их нагружается динамическими нагрузками разных знаков от пусков механизмов подъема, передвижения тележки, передвижения крана. На коробку действуют нагрузки разных знаков: моменты изгибающие, моменты крутящие, продольные силы. Поэтому основное ограничение прочности проверяется по формуле приведенных напряжений [1]:
Рекомендации по использованию схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов грузоподъемностью 400т
На основании результатов исследований был построен сводный график зависимости массы металлоконструкции кранов грузоподъемностью 400 т от высоты подъема груза и пролета (рис. 3.8).
Полученные в ходе проведения численного эксперимента данные позволяют разработать вполне конкретные рекомендации по выбору схем металлоконструкций. Поскольку наилучшими показателями для всего диапазона высот и пролетов обладают схемы № 7 и 8, а точка пересечения кривых затрат на эти схемы меняется в зависимости от высоты подъема груза, то целесообразно построить кривую, позволяющую выбирать схему металлоконструкции в зависимости от высоты подъема груза и пролета (рис. 3. 9). 50 60 70 80 90 100
Следует, однако отметить, что сравнение подобных схем возможно лишь в случае равенства рабочих зон, то есть при отсутствии у тележки возможности выезда на консоли. Поскольку наличие или отсутствие консолей может объясняться требованиями технологии проведения работ или габаритами рабочей зоны, то имеется смысл в отдельном рассмотрении бесконсольных схем и сравнении их между собой (рис. ЗЛО).
Из анализа рассматриваемого графика можно получить следующие рекомендации по применению бесконсольных схем металлоконструкций (рис. 3.11). металлоконструкций тяжелых козловых кранов При сочетании пролетов и высот подъема груза, находящихся правее и ниже полученной кривой, следует использовать схему № 8, в остальных случаях—схему
При рассмотрении только двухконсольных схем можно наблюдать следующие результаты (рис. 3.12).
Как видно из представленных графиков, наилучшей является схема №7, однако, при экстраполяции полученных результатов в область еще меньших пролетов, можно наблюдать улучшение характеристик схемы №4, что и отражено на графике рекомендаций по бесконсольным схемам (рис. 3.13). ц м №7 Схема ( 40 50 60 70 и 90 1 Рис. 3.13. Рекомендации по выбору оптимальных двухконсольных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов
Таким образом, можно с известной долей уверенности считать, что наилучшей из двухконсольных схем металлоконструкций является схема №7.
Определение влияния грузоподъемности тяжелых козловых кранов на выбор оптимальной схемы
Для определения возможности распространения полученных результатов для кранов другой грузоподъемности было проведено исследование смещения координат точек пересечения зависимостей масс металлоконструкций, обладающих наименьшей металлоемкостью. В качестве критерия оценки возможности распространения результатов исследований на краны других грузоподъем- ностей было принято отклонение координат точек пересечения оптимальных схем при грузоподъемностях 100 — 800 т от соответствующих координат при грузоподъемности 400т. (рис. 3.13).
Как можно видеть из представленных зависимостей, колебания пролета при различных грузоподъемностях колеблются в пределах 32 - 38 м и кривая, соответствующая грузоподъемности 400 т проходит в середине поверхности.
Оценка эффективности использования оптимальных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов
В качестве примера эффективности использования оптимальной схемы можно сравнить величины ожидаемых затрат на изготовление и монтаж метал локонструкции крана грузоподъемностью 400т, высотой подъема груза и пролетом 80 м. Как базовый вариант выберем кран К2х190 Балаковской атомной электростанции. Затраты на изготовление и монтаж металлоконструкции этого крана, выполненной по схеме № 5 составляют 17млн. руб, при использовании же оптимальной для данных параметров схемы №7, затраты составят 13,8 млн, что на 19% меньше, чем у базовой неоптимизированной схемы. Таким образом, эффект от использования оптимальной схемы для рассматриваемого крана составит 3,2 млн. руб. Выводы 1. Разработаны функции затрат на изготовление и монтаж металлоконструкций тяжелых козловых кранов 2. Определены затраты на изготовление и монтаж металлоконструкций тяжелых козловых кранов грузоподъемностью 400 т с высотой подъема груза 40-100 м и пролетом 30-100 м. 3.Определен эффект от применения оптимальных схем для крана грузоподъемностью 400 т с высотой подъема груза и пролетом 76 м, который составил 3,2 млн. руб. 5. Методика инженерного выбора схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов Поскольку существует большое число разновидностей тяжелых козловых кранов специального назначения, необходимо в первую очередь по назначению определить возможность применения однобалочных кранов, к примеру, в кранах для обслуживания ГЭС, применяемых для сливных плотин, необходимы двухбалочные краны с расстоянием между балками, соизмеримым с шириной затворов. Таким образом, первым этапом обоснования схемы металлоконструкции будет служить анализ технического задания, проводимый с целью: 1. Определения возможности применения однобалочных кранов; 2. Определения применимости консольных тележек; 3. Определения допустимого числа подкрановых рельсов; 4. Определения возможного числа грузовых тележек и механизмов подъема. После проведения анализа технического задания, рассматриваются уже только приемлемые схемы, и на начальном этапе сравнение таких схем проводится по критерию минимума металлоемкости, причем для большей простоты предлагается разбить область высот подъема груза и пролетов на несколько промежутков. Следующим этапом выбора оптимальной схемы является корректировка полученных рекомендаций с учетом возможностей предприятия-изготовителя, а именно возможных сроков освоения производства металлоконструкции, а также имеющихся мощностей. На этом этапе выбираются близкие по характеристикам схемы, и производится анализ возможности их изготовления конкретным предприятием. Таким образом, алгоритм инженерного применения разработанных рекомендация можно представить в виде (рис. 5.25): В современных конструкциях тяжелых козловых кранов встречаются двухконсольные и бесконсольные схемы, а также схемы с «нерабочими» консолями, в которых последние применяются не для увеличения размеров рабочей зоны, а для создания жесткого пространственного треугольника консоль- стойки опор-нижний ригель. Ясно, что подобные схемы необходимо рассматривать наряду с бесконсольными. Ясно, что в этом случае возможно применение любой из рассмотренных ранее схем металлоконструкций. В то же время такие схемы могут быть отнесены и к полноценным двухконсольным при условии, что грузовая тележка сможет выходить на консоли. Рассмотрим первый участок, включающий в себя высоты 40-60 м Практика краностроения подтверждает, что при относительно небольших пролетах рационально использование двухбалочных схем (к которым, собст венно и относится схема № 8), а при больших пролетах предпочтение отдается однобалочным схемам, причем из всего многообразия однобалочных схем наилучшей является схема с разветвленными опорами и боковыми подкосами (схема № 7). Отдельно рассмотрим влияние, оказываемое величиной пролета на массу металлоконструкций, выполненных по бесконсольным схемам, условия применения которых не позволяют использование схем с «нерабочими» консолями, а именно по схемам № 1, 6, 8 (рис. 5.3).
