Совершенствование метода расчёта пролетных балок мостовых кранов

Актуальность темы

Мостовые краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, по-грузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. Они имеют большую номенклатуру типоразмеров и исполнений, их грузоподъемность достигает 800 т. Наиболее широко используются краны грузоподъемностью от 5 до 50 т.

Работоспособность, надёжность и безопасность эксплуатации кранов во многом зависит от качества исполнения их металлических конструкций. Несущим элементом металлической конструкции мостового крана является пролётная балка. При необходимых прочностных характеристиках пролётные балки должны быть технологичными, иметь малую стоимость и массу. Масса изделия машиностроения в значительной степени определяет его стоимость (выше 70%) и сокращение расхода металла на 1% ведет к снижению себестоимости изделия до 5%. Особое значение металлоемкость имеет для мостовых кранов, в которых доля металлических конструкций достигает 80% их металлоемкости.

В комплекс работ по снижению металлоемкости изделия входит внедрение научно обоснованных методов его расчетов, включая вариантное проектирование и оптимизацию. При этом, как правило, оптимальные металлические конструкции в целом не могут быть получены на основе оптимальных частных решений их элементов, так как в составе металлических конструкций отдельные элементы могут утрачивать оптимальные значения своих параметров.

Анализ металлоёмкости существующих металлических конструкций пролётных балок мостовых кранов показал, что разность в массах пролётных балок, предназначенных для одного типоразмера мостового крана, но изготовленных на разных предприятиях составляет до 15%. Поэтому совершенствование метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость моетовых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 219 (шифр программы 2010;219 001.073, договор № 13.037.31.0023) и при поддержке Гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники.

Цель работы заключается в снижении металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов на основе проектирования пролетных балок с оптимальными массогабаритными показателями.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования.

1) выполнить анализ конструкций и методов расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

2) разработать методику оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов;

3) разработать математическую модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов;

4) разработать усовершенствованный метод расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями и реализующее его программное обеспечение;

5) построить параметрический ряд и номограммы значений геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

6) осуществить практическую реализацию результатов научных исследований на предприятии, выпускающем грузоподъемные машины.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории расчета несущих металлических конструкций и метода конечных элементов. Для проведения расчетов использовались САПР SWR Simulation и вычислительная среда Mathcad-14.

Объект исследования — пролётные балки мостовых кранов.

Предмет исследования — взаимосвязь геометрических параметров поперечного сечения, условий работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов.

В первом разделе проведен анализ конструктивных форм металлических конструкций мостовых крановрассмотрен процесс проектирования несущих металлических конструкций мостовых кранов, выявлены его недостаткиобоснована целесообразность снижения металлоемкости пролётных балок мостовых кранов.

Мосты мостовых кранов разнообразны по своим конструктивным формам. Они могут быть листовыми и решетчатыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили двухбалочные мосты листовой конструкции с коробчатыми пролетными и концевыми балками.

В существующей научно-технической литературе на основе многолетнего опыта проектирования, изготовления и эксплуатации, дан ряд рекомендаций по выбору параметров пролётных балок, устанавливающих связь между пролетом крана и основными параметрами балки, такими как: ширина, высота, база крана и т. п. При этом диапазон выбора размеров поперечного сечения достаточно широк, что не позволяет найти оптимального решения при выборе необходимых параметров. В работе был проведен анализ массогабаритных характеристик пролётных балок мостовых кранов грузоподъёмностью 20 тонн группы режима работы А5 при пролётах 10,5 м, 16,5 м, 22,5 м, 28,5 м, 34,5 м, спроектированных на разных предприятиях. Данные анализа показывают, что разность в массах балок составляет до 15%.

Разработке метода оптимизации параметров пролётных балок мостовых кранов посвящены работы многих авторов, в том числе В. Н. Демокритова, Н. С. Летникова, Л. Г. Серлина, М. М. Гохберга, С. А. Соколова, С. А. Казака и других ученых. Однако, в существующих методах оптимизации:

— находятся оптимальные частные решения отдельных элементов (высоты стенки, ширины поясов, толщины поясов), которые в составе конструкции пролётной балки могут утрачивать оптимальные значения своих параметров;

— не учитывается условие динамической жесткости;

— нет возможности нахождения оптимальных параметров поперечного сечения балки, требующей расчёта на сопротивление усталости.

Поэтому задача разработки метода расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов с оптимальными массогабарит-ными показателями не нашла окончательного решения.

На основании вышеизложенного определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе рассмотрен вопрос влияния металлоёмкости на технологичность металлической конструкции мостового крана, разработана методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана.

Отработка металлической конструкции мостового крана на технологичность производится выполнением отдельных мероприятий, направленных на более полное использование конструкторских и технологических возможностей, а также на повышение технико-экономических показателей производства. Одним из параметров технологичности является металлоемкость, снижение которой будет приводить к повышению технологичности металлической конструкции мостового крана.

Разработанная методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана отличается от известных тем, что существующие зависимости применимы для пролётных балок, имеющих постоянное поперечное сечение на всей длине пролёта. Однако, как правило, пролётные балки выполняются со скосами, расположенными по краям балки в местах соединения моста с концевыми балками. Учет величины скоса позволяет повысить точность оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана. Показано, что, исходя из опыта проектирования, величину скоса пролётной балки следует принимать приблизительно равной величине 0,11, .0,2Ь. Так же в результате выполненных исследований автором установлено, что усредненное значение коэффициента оребрения следует принимать равным кд=, в отличие от значения, заданного интервалом кд = 1,1. 1,3, приведенного в существующей научно-технической литературе.

В третьем разделе разработана математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, позволившая усовершенствовать метод расчёта параметров поперечного сечения пролётной балки на основе учета местного давления от ходового колеса тележки, условия динамической жёсткости и сопротивления усталости. Приведены результаты снижения металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов.

Четвёртый раздел посвящен практической реализации результатов работы, а также база данных, необходимая для проектирования высокотехнологичных металлических конструкций пролётных балок.

В заключении обсуждены итоги работы и сформулированы общие выводы по диссертации.

В приложении представлены листинг программы расчета высокотехнологичных конструкций пролётных балок мостовых кранов и документ о внедрении результатов работы в ООО «Стройтехника» г. Донской, Тульской области.

Основные положения, выносимые автором на защиту: 1. Методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы моетовых кранов, материалом металлической конструкции и геометрическими поперечного сечения пролётной балки.

2. Математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, обеспечивающих снижение металлоемкости металлических конструкций мостовых кранов.

3. Метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями на основе совмещения проектного и проверочного расчётов, позволяющий производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины.

Научная новизна. Впервые реализован параметрический синтез пролётных балок мостовых кранов на основе многовариантного анализа геометрических параметров пролётных балок и совмещения проектного и проверочного расчётов.

Практическая значимость работы заключается в создании методического и программного обеспечения, предназначенного для расчета металлических конструкций мостовых кранов, что сокращает время проектирования и обеспечивает энергоресурсосбережение при их производстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ТулГУ, на XIII Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2009), на 14 Международной научно-техническй конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, 2009 г.), на XII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения» (Орел, 2010 г), на II Международном научно-практическом семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых (С-Пб., 2011), на VI молодежной научно-практической конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г.

Тула, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 107 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 127 страниц, в том числе 37 рисунков и 12 таблиц. Объем приложений составляет 8 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе решена актуальная задача, заключающаяся в совершенствовании метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мостовых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке. При этом получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. В результате анализа конструкций и методов проектирования металлических конструкций мостовых кранов установлено, что высокая металлоемкость существующих конструкций обусловлена несовершенством известного метода оптимизации металлических конструкций, основанного па расчёте не металлической конструкции в целом, а на независимом расчёте отдельных ее элементов.

2. Разработана методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и площадью поперечного сечения пролётной балки.

3. Показано, что разработанная математическая модель расчёта оптимальных геометрических параметров поперечного сечения пролётной балки обеспечивает снижение металлоемкости его металлических конструкций до 10% по сравнению с балками, спроектированными заводами-изготовителями по существующим методикам.

4. Предложен метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями, основанный на совмещении проектного и проверочного расчетов и учитывающий дополнительные напряжения в верхнем поясе пролётной балки от местного давления колеса грузовой тележки, что позволило производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины. Адекватность предлагаемого метода подтверждена на основе проведенного анализа напряженно-деформированного состояния конечно-элементных моделей пролетных балок.

5. Инженерный метод расчёта пролетных балок мостовых кранов и реализующие его программное обеспечение для ПЭВМ, параметрические ряды и номограммы поиска оптимальных массогабаритных показателей пролётных балок внедрены в ОАО «Стройтехника» (г. Донской, Тульской области) и используются в учебном процессе при подготовке студентов на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».