Определение нагруженности крано-манипуляторных установок при переходных режимах работы

Создание крано-манипуляторных установок (КМУ) является одним из новых, перспективных направлений развития грузоподъемной техники. Благодаря своей универсальности и экономической эффективности они нашли широкое применение в лесной и деревообрабатывающей промышленности (лесозаготовительные), в строительстве, при переработке и сборе металлолома.

Крано-манипуляторные установки отличаются нестационарным режимом работы. Рабочий процесс представляет собой переменную комбинацию закономерных и случайных сочетаний движущих сил и сил сопротивления, обуславливающих в общем случае неустановившийся характер работы. Наиболее тяжелыми режимами работы являются переходные. Поэтому надежность конструкций зависит от характера изменения и значений динамических нагрузок, возникающих при переходных режимах работы.

Особенности конструкций стрел и их гидроприводов не позволяют полностью распространить на крано-манипуляторные установки результаты исследований нагруженности кранов, а результаты существующих зарубежных исследований в области нагруженности крано-манипуляторных установок для нас недоступны. В связи с этим для нового класса грузоподъемных машин недостаточно разработаны подходы к оценке нагруженности (расчетные условия на-гружения, расчетные случаи), отсутствуют корректные методики расчета динамических нагрузок.

Все это приводит к неоптимальности и неравнопрочности конструкции и как следствие к увеличению массы, снижению надежности и к увеличению объема испытаний. Таким образом, исследование нагруженности и разработка эффективных методов расчета динамических нагрузок крано-манипуляторных установок являются актуальными проблемами.

0.2. Цель работы и задачи.

Цель диссертации состоит в определении нагруженности крано-манипуляторных установок при переходных режимах работы на основе исследований условий эксплуатации и выделения расчетных случаев нагружения, моделирования рабочих процессов с учетом упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов).

В соответствии с целью работы, и исходя из проведенного анализа состояния вопроса, поставлены следующие основные задачи:

— определить расчетные условия нагружения, выделить основные расчетные случаи нагружения конструкции КМУ (кинематические положения стрел);

— разработать математические модели КМУ, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов на динамическую нагруженность при переходных режимах работы;

— на натурном образце КМУ экспериментально определить нагруженность конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы;

— установить влияние на нагруженность случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел;

— разработать методику построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизмов поворота стрел (гидроцилиндр, гидроцилиндр совместно с качалкой и шатуном, гидроцилиндр совместно с шарнирно-рычажной системой).

0.3 Объекты и методы исследований.

Объектом исследования являются КМУ марки «Синегорец», серийно выпускаемые предприятием ЗАО «НК Уралтерминалмаш» (г. Миасс).

Теоретические исследования динамических процессов, протекающих при эксплуатации КМУ, проводятся на основе метода кинетостатики с применением методов аналитической механики, гидравлики и численных методов. При разработке динамических моделей конструкций используются метод конечных элементов (пакет программ COSMOS), а также метод, построенный на уравнениях Лагранжа.

Экспериментальные исследования натурного образца КМУ «Синего-рец-75» с целью подтверждения результатов теоретических исследований проводятся на специально разработанном и изготовленном испытательном стенде предприятия ЗАО «РЖ Уралтерминалмаш» .

Задача динамической нагруженности КМУ с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел решается на основе вероятностно-статического метода с применением предложенной в настоящей работе методики расчета нагруженности и элементов теории вероятности.

Для исследования грузоподъемности КМУ используются методы аналитической механики и метод матриц для решения прямой задачи кинематики.

0.4. Научная новизна и практическая значимость работы.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Обобщены основные положения для расчетов динамических нагрузок, определены расчетные случаи нагружения крано-манипуляторных установок (кинематические положения стрел), изложенные в разработанном стандарте предприятия.

2. Разработаны математические модели крано-манипуляторных установок, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов) на динамическую на-груженность при переходных режимах работы. Предложенный подход также позволяет свести конструкции крано-манипуляторных установок к упрощенной модели (одномассовой) при расчете нагрузок.

3. На основе упрощенной модели (одномассовой) разработан и защищен патентом способ определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел.

Теоретическая значимость проведенных исследований заключается в дальнейшем развитии методик математического моделирования динамического поведения сложных механических систем, к которым относятся рассмотренные в данной работе КМУ.

Практическая значимость работы состоит во внедрении во все КМУ марки «Синегорец», находящиеся в серийном, опытном изготовлении и эксплуатации следующих результатов теоретических и экспериментальных исследований:

— в обобщение основных положений для расчетов динамических нагрузок и определение расчетных случаев нагружения КМУ (кинематические положения стрел), включенных в разработанный стандарт предприятия «Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности» (ЗАО «РЖ Уралтерминал-маш»);

— математических моделей и методики расчета динамических нагрузок в упругих связях КМУ с учетом влияния упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов при переходных режимах работы позволяющих повысить точность расчетов нагрузок и, как следствие, улучшить технические характеристики проектируемых КМУ;

— методики экспериментальных исследований на натурном образце КМУ нагруженности элементов конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы;

— способа определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел;

— методики построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизма поворота стрел.

0.5. Положения, выносимые на защиту.

Научные положения, выносимые на защиту:

— Перечень основных расчетных случаев нагружения КМУ (кинематические положения стрел).

— Математические модели КМУ, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов на динамическую нагру-женность при переходных режимах работы.

— Методика расчета динамических нагрузок КМУ при переходных режимах работы, конечно-элементная и упрощенная (одномассовая) модели, позволяющие учитывать упругие деформации стрел, податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристики предохранительных клапанов.

— Результаты экспериментальных исследований на натурном образце КМУ нагруженности элементов конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы.

— Способ определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел.

— Методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизма поворота стрел.

0.6. Структура работы.

В первой главе приведен обзор литературы по вопросам, посвященным разработке теоретических основ динамики рабочих процессов КМУ и другой грузоподъемной техники. В второй главе приведена методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ, обобщены основные положения для расчета динамических нагрузок. Предлагаемые автором модели и методика расчета динамических нагрузок в упругих связях КМУ при переходных режимах работы, способ определения динамических нагрузок на основе вероятностно-статического метода сформулированы во второй главе диссертации. Третья глава посвящена экспериментальному исследованию динамической нагруженности натурного образца КМУ на основе использования специально разработанных методики и испытательного стенда. и.

3.6. Основные выводы по третьей главе.

1. Высокочастотные колебания затухают практически в течение 0,5−1,0 периода низкочастотных колебаний.

2. Наибольшие нагрузки реализуются в течение первого колебания низшей частоты.

3. Основные амплитуды колебаний нагрузок происходят на нескольких низших частотах.

4. Наибольшие динамические нагрузки возникают при торможении опускающейся подъемной стрелы с грузом.

5. В результате экспериментального исследования определены величины и характер изменения основных динамических параметров нагружения конструкций стрел и их гидроприводов КМУ при переходных режимах работы.

Заключение

.

1. Разработан стандарт предприятия «Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности» (ЗАО «НК Уралтерминалмаш») в котором обобщены основные положения для расчетов динамических нагрузок и определены расчетные случаи нагружения КМУ (кинематические положения стрел) с учетом особенностей условий эксплуатации и конструкции.

Разработаны математические модели и методика расчета динамических нагрузок при переходных режимах работы КМУ с учетом влияния упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов). Эффективность и достоверность методики подтверждена динамическими испытаниями натурного образца КМУ «Синегорец-75». Расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет менее 5%.

Предложенная методика расчета нагруженности позволила при решении некоторых технических задач получить простые аналитические зависимости для динамических характеристик на основе упрощенной модели (одномассо-вой). В частности, для коэффициента динамичности была получена зависимость в виде функции параметров КМУ, скорости груза и усилий в гидроцилиндрах стрел. Полученные зависимости обосновывают и развивают известные в литературе формулы расчета этих характеристик.

Предложенная методика расчета нагруженности позволила оценить влияния нелинейности гидропривода на нагруженность конструкции. Линеаризация силовых характеристик гидроприводов стрел приводит к завышению величины коэффициента динамичности для стрел на 5% и к занижению собственных частот на 10%.

Использование методики позволяет: повысить точность расчетов нагрузокопределять коэффициенты динамичности для различных элементов звеньевна этапе проектирования КМУ сократить время и повысить точность инженерных расчетов при определении параметров конструкций стрел, гидросистемы и, как следствие, улучшить технические характеристики проектируемых КМУ (весовое совершенство, надежность).

2. На основе упрощенной модели (одномассовой) разработан и защищен патентом способ определения динамических нагрузок, позволяющий учитывать влияние случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел. Учет случайных отклонений этих параметров для КМУ «Синегорец-75» позволили уменьшить на 7−10% максимальный расчетный изгибающий момент на стрелах.

При оценке прочности для экстремальных и вероятностных величин нагрузок необходимо использовать различные значения коэффициентов безопасности. С целью нормирования величин коэффициентов безопасности необходимо дальнейшее исследование влияния рассеивания эксплуатационных факторов на нагруженность КМУ.

3. С целью получения экспериментальных оценок нагруженности конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы, а также подтверждения расчетных величин нагрузок проведены динамические испытания натурного образца КМУ «Синегорец-75» по специально разработанной методике с применением ПК.

В результате экспериментального исследования определены величины и характер изменения основных динамических параметров нагружения конструкций стрел КМУ и их гидроприводов при переходных режимах работы. Расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет менее 5%.

Объем проведенных динамических испытаний и полученные результаты измеряемых параметров достаточны для проведения подробного анализа нагруженности.

Разработанная методика испытаний может использоваться для определения нагруженности при раздельном и совместном движении звеньев.

4. Определены условия использования наибольшей грузоподъемности КМУ (конфигурации стрел для каждой зоны), изложенные в эксплуатационной документации для КМУ «Синегорец» .

Разработана методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизмов поворота стрел (гидроцилиндр, гидроцилиндр совместно с качалкой и шатуном, гидроцилиндр совместно с шарнирно-рычажной системой). С использованием предложенной методики определены грузовысотные характеристики КМУ «Синегорец» грузоподъемностью 25, 75, 110, 130 и 210 кН м.

Предложен расчетный показатель для оценки совершенства грузовысотной характеристики. Показатель позволяет сравнивать грузовысотные характеристики КМУ, различных по грузоподъемности и конструктивному исполнению.

Из трех рассмотренных вариантов исполнения механизмов поворота стрел наибольший показатель имеет шарнирно-рычажная система. Таким образом, эта система обеспечивает наиболее «спрямленную» грузовысотную характеристику КМУ.

5. С использованием разработанных методик проведены расчеты и анализ динамических нагрузок КМУ «Синегорец» грузоподъемностью 25, 75, 110, 130 и 210 кН-м на основании которых проведены расчеты на прочность и разработана проектно-конструкторская документация, разработаны конструкция грузоподъемной стрелы «Синегорец-210» и механизм подъема аутригера, защищенные патентами.

В результате экспериментальных исследований нагруженности конструкций стрел и их гидроприводов на натурном образце КМУ «Синегорец-75» были разработаны рекомендации по корректировке конструкторской документации.

Основные положения настоящей работы были использованы при разработке стандарта предприятия «Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности» (ЗАО «НК Уралтерминалмаш»).

Разработанные положения и методики расчета нагруженности КМУ могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, изготавливающих КМУ, а также при решении аналогичных задач в других областях техники.