Будь умным!

У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Київ2001 Дисерт

Работа добавлена на сайт samzan.net:


20

Київський національний університет будівництва і архітектури

душанін  ян  станіславович

УДК 621.87

Оптимізація сталого режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана

05.05.05 - Піднімально-транспортні машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури на кафедрі машин і обладнання технологічних процесів Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:  доктор технічних наук, професор

 Ловейкін Вячеслав Сергійович,

 професор Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор   

 Гончаренко Неоніла Констянтинівна,

 професор Севастопольского державного технічного університету;

 

 кандидат технічних наук, доцент    Панов Сергій Львович,     доцент Київського університету економіки і технології транспорту.

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, кафедра підйомно-транспортного і робототехнічного обладнання Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 24 січня 2002 року об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 26.056.08 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, проспект Повітрофлотський, 31.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, проспект Повітрофлотський, 31.

Автореферат розіслано “24” грудня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради М. К. Сукач


загальна характеристика роботи

 Актуальність теми. В реальній конструкції шарнірно-зчленованої стрілової системи крана кожен її елемент рухається за своїм законом, який визначається її конструкцією. Це призводить до того, що в процесі зміни вильоту вантажу кінетична енергія системи є величиною змінною. Причому максимальне значення кінетичної енергії, яке визначає одну з основних складових енергетичних витрат приводного механізму, в багатьох випадках в декілька разів перевищує її середнє значення. В результаті цього приведення в рух кожного елементу такої стрілової системи призводить до виникнення допоміжних енергетичних витрат і збільшення динамічних навантажень в її елементах. Проблему зниження енергетичних витрат вирішують як за рахунок підбору геометричних параметрів стрілових систем, так і шляхом зміни кінематики руху окремих елементів або зниження їх маси. Розробка оптимальних режимів зміни вильоту вантажу, в основному, проводилась для одноланкових стрілових систем, тому оптимізація режиму зміни вильоту вантажу шарнірно-зчленованої стрілової системи, яка призводить до мінімізації енергетичних витрат, є досить актуальною проблемою.

 Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напрямку досліджень кафедри машин і обладнання технологічних процесів (МіОТП) Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА) “Розробка оптимальних режимів руху механізмів вантажопідіймальних машин”, який виконується за програмою науково-координаційної ради з питань ресурсу і безпеки експлуатації споруд та машин при Президії НАН України, а також в рамках теми “Енергетичні та деформаційні взаємозв’язки фізико-екологічного стану природних робочих середовищ з гранично високою і низькою міцністю при різних зовнішніх навантаженнях” (БДБ-96, № державної реєстрації 0196U016055).

 Мета і задачі дослідження. Мета данної роботи полягає в зниженні енергетичних витрат в шарнірно-зчленованих стрілових системах за рахунок вибору режиму руху приводного механізму в процесі зміни вильоту вантажу.

Для досягнення поставленої мети були поставлені і розв’язані такі задачі:

  •  обгрунтована доцільність зменшення енергетичних витрат в шарнірно-зчленованих стрілових системах кранів за рахунок вибору режиму зміни вильоту вантажу;
  •  побудувано математичну модель шарнірно-зчленованої стрілової системи крана при зміні вильоту вантажу;
  •  вибрано критерій оптимізації зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи на ділянці усталеного руху;
  •  проаналізовано усталені режими зміни вильоту існуючих врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем кранів;
  •  оптимізовано усталений режим зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи за вибраним критерієм;
  •  проаналізовано вплив оптимальних усталених режимів зміни вильоту на коливання вантажу і навантаження в приводному механізмі;
  •  визначено параметри існуючих приводів, що забезпечують оптимальний енергетичний режим зміни вильоту шарнірно-зчленованих стрілових систем кранів на ділянці усталеного руху;
  •  розроблено конструкції приводів, що забезпечують оптимальний енергетичний режим зміни вильоту вантажу на ділянці усталеного руху.

 Об’єктом досліджень є врівноважена шарнірно-зчленована стрілова система крана в процесі зміни вильоту вантажу на ділянці усталеного руху.

 Предметом досліджень є енергетичні витрати і динамічні навантаження в елементах стрілової системи при різних режимах зміни вильоту вантажу.

 Методи дослідження. Дослідження базуються на застосуванні математичного моделювання з використанням методів аналітичної механіки, теорії машин і механізмів, варіаційного числення, методів оптимізації, диференціальних рівнянь, а також чисельних та ітераційних методів їх роз-в’язку. Обробка отриманих даних та перевірка адекватності прийнятих моделей здійснювалась на основі розроблених програм для ЕОМ, результати розрахунків на яких співставлялись з експерементальними результатами та результатами, отриманими іншими авторами.

 Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці математичної моделі врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем кранів при усталеному режимі зміни вильоту вантажу з мінімальними енергетичними витратами в приводних механізмах, а також в розробці методики оптимізації режимів руху і конструкцій приводних механізмів, що забезпечують реалізацію цих режимів.

 Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці науково обгрунтованої інженерної методики розрахунку оптимального енергетичного режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи на ділянці усталеного руху, яка реалізована у вигляді програми для ЕОМ та розробці конкретних конструкцій приводних механізмів, які реалізують цей режим руху.

 Особистий внесок здобувача. З матеріалів десертації та опублікованих робіт здобувачеві належить:

  •  обгрунтування напрямку мінімізації енергетичних витрат зміни вильоту врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем за рахунок вибору режиму руху приводного механізму на ділянці усталеного руху;
  •  розробка математичної моделі зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана на ділянці усталеного руху;
  •  обгрунтування вибору критерію оптимізації зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи;
  •  аналіз режимів зміни вильоту існуючих стрілових систем кранів;
  •  розробка методики оптимізації енергетичного режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана і вибору конструктивних параметрів приводного механізму;
  •  оптимізація усталених енергетичних режимів зміни вильоту конкретних врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем кранів та їхній аналіз;
  •  розробка конструкцій приводних механізмів, що реалізують оптимальний енергетичний режим зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи на ділянці усталеного руху.

У друкованих працях, написаних у співавторстві з науковим керівником Ловейкіним В.С., співавтору належить:

  •  розробка інтегрального критерію оцінки енергетичних витрат зміни вильоту врівноважених стрілових систем кранів;
  •  розробка операторів передачі руху стрілових систем і на їх основі розробки методу побудови узагальнених математичних моделей стрілових систем кранів;
  •  розробка методу оптимізації режимів зміни вильоту врівноважених стрілових систем керанів;
  •  принципи побудови приводних механізмів для реалізації оптимальних режимів зміни вильоту врівноважених стрілових систем кранів.

 Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на:

  •  59 - 62 (1998р. - 2001р.) науково-практичних конференціях КНУБА (м. Київ);
  •  VII міжнародній конференції “Новые технологии в машиностроении” (Харьков –Рыбачье, 1998р.);
  •  III міжнародній науково-технічній конференції “Динамика, прочность, компьютер, образование” (СевДТУ, м. Севастополь, 1998р.);
  •  IV міжнародній конференції “Механика, компьютер, образование” (СевДТУ, м. Севастополь, 1999р.);
  •  науково-технічній конференції “Проблеми створення та експлуатації підйомно-транспортних машин та обладнання” (ХДПУ, м. Харків, 1999р.);
  •  науковому семінарі київського відділення ПТАНУ (м. Київ, 2000р.);
  •  міжнародній науковій конференції “Интерстроймех-2000” (ХДАДТУ, м. Харків, 2000р.);
  •  міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы развития подъёмно-транспортной техники” (СУДУ, м. Луганськ, 2000р.).

В цілому робота двічі доповідалась та обговорювалась на науковому семінарі кафедри машин і обладнання технологічних процесів КНУБА (м. Київ, 2000 і 2001р.р.) та другій всеукраїнській конференції виробників і споживачів підйомних споруд (м. Одеса, 2001р.).

 Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 статей та тез доповідей, в тому числі 9 статей вийшло у фахових виданнях, рекомендованих “Переліком ВАК…”.

 Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел зі 170 найменувань та додатків. Робота містить 203 сторінки друкованого тексту, в тому числі 63 рисунка, 21 таблицю.

Автор висловлює вдячність науковому керівнику Ловейкіну Вячеславу Сергійовичу за допомогу в роботі над дисертацією.

основний зміст роботи

У вступі наведені актуальність, наукова новизна, практичне значення та загальна характеристика роботи.

 У першому розділі наведено огляд науково-технічної літератури і патентний пошук з питань зменшення енергетичних витрат в приводах стрілових систем вантажопіднімальних кранів в процесі зміни вильоту вантажу.

Проблема зменшення енерговитрат в стрілових системах вирішувалась кількома шляхами: досягненням горизонтального переміщення вантажу під час робочого руху (кінематичний синтез), врівноваженням власної ваги стрілового пристрою (статичний синтез) і зменшенням маси і інертності стрілових пристроїв (динамічний синтез).

Горизонтальність переміщення вантажу при зміні вильоту і врівноваженність власної ваги стрілового пристрою дають таким кранам значні переваги в маневренності, продуктивності і економічності порівняно з іншими типами поворотних кранів. Цим питанням займались Дресіг Г., Євграфов В. А., Єрмоленко В. Н., Жермунський Б. І., Кан К. Н., Місюра В. П., Серлін Л. Г., Турбабін А. С., Шейнгарт В. Ю., Штейнберг Л. Б., Юрухін Б. Н. та ряд інших дослідників.

Методи оптимального кінематичного і статичного синтезу стрілових систем розроблені вже достатньо добре і тому резерви зменшення енергетичних витрат за рахунок забезпечення горизонтальності переміщення вантажу і врівноваженності стрілової системи майже вичерпані. Через це основні зусилля у вирішенні проблеми оптимізації стрілових систем спрямовуються на зменшення в їх елементах динамічних навантажень.

Дослідженнями в цій галузі займались Александров М. П., Будіков Л. Я., Гайдамака В. Ф., Гончаренко Н. К., Гохберг М. М., Григоров О. В., Григор’єв М. І., Казак С. А., Ковальский Б. С., Комаров М. С., Крук Л. Д., Лобов М. О., Нестеров А. П., Семенюк В. Ф., Панов С. Л., Хрисанов М. І. та ряд інших.

Особлива увага при дослідженні механізмів кранів приділяється механізму зміни вильоту. Дослідження на цю тему виконувались Алейнером А. Л., Брауде В. І., Голоскоковим Є. Г., Горським Б. Є., Дресигом Х., Єрофеєвим М. І., Кіпарським Г. Р., Коваленком П. А., Лангом А. Г., Леманом К., Ловейкіним В. С., Мазовером І. С., Майзелем В. С., Орловим О. М., Парницьким А. В., Серліним Л. Г., Сиротським В. Ф. та іншими.

Крім вищеперелічених способів зменшення енергетичних витрат в стрілових системах розроблено також спосіб, який був вперше запропанований для одноланкових стрілових систем Ловейкіним В.С. Суть цього методу полягає у виборі режимів руху окремих елементів таким чином, щоб на протязі ділянки усталеного руху кінетична енергія всієї стрілової системи була близька до постійної.

Проведений аналіз дозволив зробити такі висновки:

  •  зменшення енергетичних витрат в стрілових системах вантажопіднімальних кранів ведеться тривалий час і за різними напрямками;
  •  ресурс оптимального кінематичного і статичного синтезу стрілових систем практично вичерпався;
  •  основним напрямком в вирішенні поставленної задачі залишається зменшення в елементах стрілових систем динамічних навантажень і енергетичних витрат за рахунок вибору режимів руху приводних механізмів.

У другому розділі обрано об’єкт дослідження –шарнірно-зчленовану стрілову систему портального крана з прямолінійним хоботом і жорсткою відтяжкою, яку представлено у вигляді механічної системи (рис. 1) з абсолютно жорсткими ланками й одним ступенем вільності (узагальнена кутова координата стріли α). Наведено її конструктивні, вагові і інерційні параметри. Стрілова система включає в себе такі ланки: 1 - стріла; 2 - хобот; 3 - жорстка відтяжка; 4 - рухома противага; 5 - вантаж; 6 - приводний механізм зміни вильоту.

Рис. 1. Кінематична схема врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи з прямолінійним хоботом і жорсткою відтяжкою при зміні вильоту вантажу

Сформульовано умови роботи стрілової системи, розраховані залежності для визначення кінематичних характеристик окремих ланок існуючих стрілових систем (вирази для визначення координат, швидкостей і прискореннь стріли, відтяжки, противаги, хобота і вантажу). На цій основі визначено сумарну кінетичну енергію розглянутої стрілової системи крана без урахування коливань вантажу

      (1)

де Іу, Іх, Іо, Іс –моменти інерції, відповідно противаги, хобота, відтяжки і стріли відносно власних осей оберання; mв, mх - маси вантажу і хобота відповідно; , , , , , - оператори передачі руху вантажу, хобота, противаги і відтяжки першого порядку, які зв’язують відповідні координати ланок з узагальненою координатою;  - кутова швидкість повороту стріли.

Аналіз отриманих результатів показує, що в стрілових системах кранів КПМ 32-35-10,5 (Tі1), КПМ 75-20-10,5 (Tі2) і КПМ 40-27-10,5 (Tі3) (рис. 2) максимальні значення кінетичної енергії перевищують її середні значення відповідно на 30,0%, 53,8%, 25,8%. В інших кранах ця цифра досягає 190%.

Рис. 2. Кінетична енергія існуючих стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5 (Tі1), КПМ 75-20-10,5 (Tі2), КПМ 40-27-10,5 (Tі3)

Тому виникає необхідність оптимізації усталеного режиму зміни вильоту стрілової системи з метою мінімізації найбільшого значення кінетичної енергії, яка визначає енергетичні витрати на приведення в рух системи і її зупинку.

У третьому розділі обрано критерій оцінки усталеного режиму руху стрілової системи, який являє собою функціонал, підінтегральною функцією якого є кінетична енергія системи Т і який відповідає дії за Лагранжем

    (2)

де t –час; t, t –почаковий і кінцевий моменти часу циклу руху стрілової системи, α –узагальнена координата.

 

Отримана крайова задача (3) не має аналітичного розв’язку, тому для її розв’язування використано чисельно-аналітичний метод колокацій, згідно з яким залежності кінематичних характеристик стріли представляються у вигляді поліномів, які забезпечують крайові умови:

(3)

де Δα = α –α, α і α –кінцева і початкова координата стріли; а, а, а і а - коефіцієнти колокації; - відносний час усталеного руху стрілової системи.

Для знаходження невідомих коефіцієнтів колокації в системі (4) прийнято числові значення точок колокації    Визначивши в точках колокацій нев’язку ріняння (3), дістаємо систему чотирьох трансцендентних рівнянь з невідомими коефіцієнтами а, а, а і а. Після їхнього розв’язку знайдено кінематичні характеристики стріли, а за допомогою операторів передачі руху –кінематичні характеристики всіх інших ланок стрілової системи. Для стрілової системи крана КПМ 32-35-10.5 коефіцієнти колокації приймають такі значення: а=0.109, а=-0.038, а=0.015, а=0.018.

Визначено, аналогічно до існуючих, сумарну кінетичну енергію оптимізованих стрілових систем (рис. 3). Аналіз отриманих результатів показує, що в оптимізованих стрілових системах кранів КПМ 32-35-10,5 (То1), КПМ 75-20-10,5 (То2) і КПМ 40-27-10,5 (То3) на ділянці усталеного руху кінетична енергія практично не змінюється і її максимальне відхилення від середнього значення складає відповідно 0,46%, 0,21%, 0,11%. Порівняльний аналіз кінетичної енергії існуючих і оптимізованих стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5, КПМ 75-20-10,5 і КПМ 40-27-10,5 показує, що в існуючих стрілових системах цих кранів на виконання роботи по зміні вильоту вантажу за один цикл необхідно витратити додаткової енергії на 25,8 - 53,8% більше від її середнього значення, а в оптимізованих –лише на 0,11 –,46%.

Рис. 3. Кінетична енергія оптимізованих стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5 (То1), КПМ 75-20-10,5 (То2), КПМ 40-27-10,5 (То3)

У четвертому розділі розглянуто вплив оптимального режиму руху стрілової системи на коливання вантажу. При цьому стрілова система крана представлена у вигляді голономної механічної системи з абсолютно твердими ланками і двома ступенями вільності. За узагальнені координати прийняті координата обертання стріли α (основний рух) і координата коливання вантажу ν (коливальний рух). При цьому вважається, що вантаж рухається по горизонталі вздовж осі Х і здійснює коливання відносно точки підвісу, а основні елементи стрілової системи є абсолютно твердими тілами і повністю врівноважені рухомою противагою.

Для визначення коливань вантажу за допомогою рівнянь Лагранжа другого роду складено математичну модель руху стрілової системи, яка має вигляд:

(4)

де Ір - момент інерції ротора двигуна відносно осі його обертання; φр - кутова координата повороту ротора двигуна; , , , - оператори передачі руху ротора двигуна і вантажу першого порядку, які зв’язують відповідні координати з узагальненими координатами α і ν; g=9,81м/с - прискорення вільного падіння; , , , , , , , - кутові прискорення ротора двигуна, стріли, відтяжки, противаги, хобота і лінійні прискорення центрів мас хобота і вантажу, які розраховані на моделі стрілової системи з одним ступенем вільності для реального або оптимального усталеного режиму зміни вильоту; , , , , , , , - прискорення вищевказаних ланок, які визначаються на моделі стрілової системи з двома ступінями вільності і залежать від α, , , ν, , .

Оскільки система (5) складається з нелінійних диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами, то для її розв’язку використано чисельний метод Рунге-Кутта. В результаті розв’язку системи (5) визначено координати основного руху α і коливань вантажу ν як для існуючого на реальних кранах, так і для оптимального енергетичного усталеного режиму зміни вильоту. В результаті аналізу встановлено, що найбільше відхилення вантажу від вертикалі при існуючому режимі руху має місце в стріловій системі крана “Ардельтверке” (амплітуда коливань складає 0,095 рад). При оптимальному енергетичному режимі руху амплітуда зменшується до 0,086 рад, що складає 9,4%. Найменше відхилення вантажу від вертикалі при існуючому режимі руху має місце в стріловій системі крана “Сумітомо” (амплітуда коливань складає 0,043 рад). При оптимальному енергетичному режимі руху амплітуда зменшується до 0,041 рад, що складає 6,7%.

Отже, аналіз показує, що оптимізація енергетичного режиму руху приводить також до зменшення коливань вантажу.

У п’ятому розділі розглянуто вплив оптимального режиму зміни вильоту стрілової системи на зусилля в зубчастій рейці привода. При цьому порівняно статичну і динамічну складові сумарного зусилля, які визначались з урахуванням реального врівноваження стрілової системи і відхилення від горизонтального переміщення вантажу.

Сумарне зусилля в рейці привода знаходиться з виразу

,     (5)

де статична складова NСТ визначається залежністю

, (6)

а динамічна NД виразом

,  (7)

де , , - оператори передачі руху, що зв'язують координати центрів мас стріли, відтяжки і противаги з узагальненою координатою α; і - передаточне число приводу; Rш - радіус основного кола зубчастого колеса приводу; Sp - робоча довжина рейки привода.

За вихідними даними стрілових систем кранів для оптимального енергетичного і існуючого режимів зміни вильоту за наведеними формулами визначені функції зміни в часі сумарного зусилля (рис. 4) і його динамічної та статичної складових в зубчастих рейках приводів механізмів. З аналізу отриманих зусиль виходить, що на ділянці усталеного руху в усіх стрілових системах кранів динамічна (значно) і статична (незначно) складові в зубчастій рейці при оптимальному енергетичному режимі зміни вильоту змінились в порівнянні з існуючим режимом. При цьому динамічна складова складає меншу частку в порінянні зі статичною. Так, для приводу стрілової системи крана КПМ 32-35-10.5 статичне середнє зусилля змінилося з 642,9кН при існуючому до 632,9кН при оптимальному, а максимальне залишилось незмінним –,0кН; сумарне середнє зусилля змінилось з 643,0кН до 631,1кН (на 1,5%), а максимальне зросло з 854,9кН до 855,0кН (на 0,01%). В приводі стрілової системи крана КПМ 75-20-10,5 статичне середнє зусилля змінилося з 86,0кН при існуючому до 76,8кН при оптимальному, а максимальне залишилось незмінним –,3кН; сумарне середнє зусилля зменшилось з 87,5кН до 79,9кН (на 8,7%), а максимальне зросло з 268,7кН до 270,2кН (на 0,6%). В приводі стрілової системи крана КПМ 40-27-10,5 статичне середнє зусилля змінилося з 293,5кН при існуючому до 288,1кН при оптимальному, а максимальне залишилось незмінним –,9кН; сумарне середнє зусилля зменшилось з 294,0кН до 289,7кН (на 1,5%), а максимальне збільшилось з 517,0кН до 517,3кН (на 0,1%).

Рис. 4. Сумарне зусилля в зубчастих рейках існуючих стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5 (), КПМ 75-20-10,5 (), КПМ 40-27-10,5 ()

Наведений аналіз показує, що оптимізація усталеного режиму зміни вильоту стрілової системи практично не вплинула на зусилля в зубчастій рейці приводу.

 У шостому розділі визначені раціональні параметри існуючих приводів та зпроектовані нові приводи трьох механізмів зміни вильоту (МЗВ) для забезпечення оптимального усталеного режиму руху елементів стрілових систем.

При оптимізації параметрів приводів в результаті обчислень на ЕОМ отримано числові значення довжини стояка aр і коромисла bр приводу та кута ψр, який дорівнює сумі кутів нахилу стояка  θр і розхилу коромисла μр (ψр=θр+μр). При цьому не всі значення цих параметрів є конструктивними, тому їхні кінцеві значення визначені підбором. Визначено функції кінетичної енергії для існуючого, оптимального і режиму зміни вильоту з підібраними параметрами (рис. 5). З причин низької ефективності такого підбору (в стріловій системі крана КПМ 32-35-10,5 при оптимальному режимі Tomax=2,63кДж, при існуючому Тіmax=3,41кДж (при aр=10,27м, bр=8,88м, ψр=2,308рад), при існуючому з підбором параметрів Ті*max=3,10кДж (при aр*=8,88м, bр*=8,88м, ψр*=0,864рад)) здійснена розробка нових та модернізація існуючих конструкцій приводів з метою забезпечення необхідних режимів руху. Розроблені нові конструкції приводів рейкового, поліспастного і гідравлічного МЗВ.

Рис. 5. Кінетична енергія зміни вильоту стрілової системи крана КПМ 32-35-10,5 з існуючими (Ті), оптимальними (То) і підібраними (Т*і) параметрами приводу

Оптимізація конструкції привода рейкового МЗВ здійснюється шляхом встановлення в ньому пари зубчастих колес змінних радіусів, значення яких визначаються залежностями:

ρ=А–ρ, ω=2π/t, (8)

де А - міжцентрова відстань; ω –кутова швидкість ведучого зубчастого колеса; , - робоча довжина рейки при максимальному і мінімальному вильотах стріли.

Отримані радіуси зубчастих колес в залежності від кута їх обертання для стрілової системи крана КПМ 32-35-10,5 наведені на рис. 6. 

Рис. 6. Радіуси зубчастих колес, які забезпечують оптимальний закон руху стрілової системи крана КПМ 32-35-10,5

В шарнірно-зчленованій стріловій системі з поліспастним МЗВ реалізація оптимального енергетичного режиму руху здійснюється шляхом заміни циліндричного барабана на барабан змінного профілю. Зміна радіусу барабана, яка забезпечує рух стрілової системи за необхідним законом, визначається з залежності

,    (9)

де nn –кратність поліспасту; ω - кутова швидкість обертання барабана, яка знаходиться з умови, що за час робочого циклу зміни вильоту вантажу стріла пройде відстань між своїми двома крайніми положеннями αmin і αmax.

 Для стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5, КПМ 75-20-10,5 і КПМ 40-27-10,5 зміни оптимальних радіусів барабанів наведені на рис. 7. Зміна радіусів відбувається в межах 0,171…0,217м для стрілової системи КПМ 32-35-10,5, 0,252…0,361м для стрілової системи КПМ 75-20-10,5 і 0,174…0,205м для стрілової системи КПМ 40-27-10,5.

 

Рис. 7. Оптимальні радіуси барабанів приводів поліспастних МЗВ стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5 (Rб1()), КПМ 75-20-10,5 (Rб2()) і КПМ 40-27-10,5 (Rб3())

В шарнірно-зчленованій стріловій системі з гідравличним МЗВ (рис. 8, 9) реалізація оптимального режиму руху здійснюється за рахунок розподілу потоку робочої рідини в напірну та зливну магістралі через регульований дросель. На схемі представлені стріла 1, гідроцилиндр 2 зі штоком 3 і гільзою 4, регульований насос 5, розподільник 6 з рукояткою 10, сектор 7, шток 8 регулятора витрат 9, напірні золотники 11 та 12 та запобіжний клапан 13. Реалізація необхідного режиму руху досягається тим, що сектор 7 має профіль, який задає дроселю 9 необхідного закону зміни прохідного перерізу.

 У сьомому розділі перевірено адекватність і ефективність отриманих результатів. Оцінено достовірність результатів прийнятої математичної моделі шарнірно-зчленованих стрілових систем існуючим стріловим системам (рис. 12). Найбільша розбіжність зафіксована в стріловій системі крана “Ардельтверке” (1,97%), а найменша - в стріловій системі крана КПМ 40-27-10,5 (0,25%). Перевірено припущення про незмінний характер швидкості руху ротора електродвигуна під час усталеного режиму зміни вильоту шарнірно-зчленованої стрілової системи. Для визначення кутової швидкості обертання ротора двигуна було використано тахометр ручний магнітний “ИО-30”. Результати вимірювань для стрілової системи крана КПМ 40-27-10,5 (рис. 13) свідчать, що швидкість ротора двигуна на ділянці усталеного руху є незмінною (n=720об/хв). Проведено експерементальне вимірювання зусиль (Ne) в зубчастій рейці привода МЗВ стрілової системи КПМ 40-27-10,5, схема якого наведена на рис. 14. Зміна цього зусилля разом з відповідним теоретичним результатом Ni наведена на рис. 15. Як свідчить аналіз одержаних результатів розбіжності між порівнюємими величинами не перевищують 13% (515,6кН сумарне зусилля при розрахунках і 456,2кН –з експеременту).

Рис. 12. Зміна кутової координати стріли при оптимальному (αо) і існуючому (αі) режимах зміни вильоту вантажу в стріловій системі крана КПМ 32-35-10,5

Рис. 13. Частота обертання ротора двигуна механізма привода стрілової системи крана КПМ 40-27-10,5

Рис. 14. Схема підключення датчиків до реєструючої апаратури

Рис. 15. Зусилля експерементальне (Ne) і розраховане (Nі) в зубчастій рейці привода МЗВ стрілової системи крана КПМ 40-27-10,5

З метою перевірки ефективності отриманих результатів розраховано річні заощадження електроенергії в приводі стрілової системи крана “Кондор”. Як свідчать розрахунки, річна економія складає 2994,11 грн. з одного крана за рахунок зменшення енерговитрат під час пуску приводного механізму.

висновки

  1.  За результатами аналізу сучасного стану парку портальних кранів, напрямків модернізації і технічного переоснащення портів запропановано один з напрямків модернізації існуючого парку портальних кранів і розробки нових конструкцій –використання кранів зі зниженними енергоємністю приводів і навантаженнями в елементах конструкцій стрілових систем під час зміни вильоту.
  2.  За результатами детального аналізу шляхів розв’язання посталеної проблеми зменшення енерговитрат в стрілових системах обрано найбільш доцільний метод, який базується на виборі режимів руху приводних механізмів.
  3.  Обрано модель врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи портального крана. На її основі визначені кінематичні характеристики окремих ланок стрілової системи і кінетична енергія всієї системи під час зміни вильоту.
  4.  Розглянуто існуючі критерії оцінки режимів руху елементів вантажопіднімальних кранів. Враховуючи мету даної роботи за критерій оптимізації обрано інтегральний функціонал, що оцінює енергетичні витрати на створення руху. Цей функціонал відповідає дії за Лагранжем і його підінтегральною функцією є кінетична енергія стрілової системи під час зміни вильоту вантажу на ділянці усталеного руху.
  5.  Для розглянутих врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем складено математичну модель, яка має вигляд крайової задачі. За її допомогою визначені кінематичні характеристики окремих ланок стрілової системи і кінетична енергія всієї системи. Порівняння отриманих результатів існуючих і оптимізованих стрілових систем свідчить про те, що в оптимізованих стрілових системах максимальне значення кінетичної енергії практично не відризняється від їхнього середнього значення (розбіжність складає менше 1%), в той час як в існуючих стрілових системах кранів цей показник досягає 26 - 190%.
  6.  Розглянуто вплив оптимального режиму зміни вильоту шарнірно-зчленованої стрілової системи на коливання вантажу. Встановлено, що найбільше відхилення вантажу від вертикалі при існуючому режимі руху має місце в стріловій системі крана “Ардельтверке” (амплітуда коливань складає 0,095рад). При оптимальному енергетичному режимі руху амплітуда зменшується до 0,086рад, що складає 9,4%. Найменше відхилення вантажу від вертикалі при існуючому режимі руху має місце в стріловій системі крана “Сумітомо” (амплітуда коливань складає 0,043рад). При оптимальному енергетичному режимі руху амплітуда зменшується до 0,041рад, що складає 6,7%. Аналіз отриманих результатів свідчать про те, що зміна режиму руху елементів шарнірно-зчленованої стрілової системи призвела до зменшення амплітуди коливань вантажу, що вказує на покращення динамічного режиму зміни вильоту вантажу при використанні оптимального енергетичного режиму. Тобто одночасно зменшуються енергетичні витрати і покращується динамічний режим зміни вильоту усіх досліджених шарнірно-зчленованих стрілових систем портальних кранів.
  7.  Визначено зусилля в зубчастій рейці приводу рейкового механізму зміни вильоту. Проведений аналіз показав, що: на ділянці усталеного руху статичне зусилля є основною складовою сумарного зусилля; зміна режиму руху вплинула на динамічну (значно) і статичну (незначно) складові; в середньому для всіх стрілових систем кранів динамічна і статична складові в зубчастій рейці привода при оптимальному енергетичному усталеному режимі зміни вильоту зменшились в порівнянні з існуючим режимом. Так, для приводу стрілової системи крана КПМ 32-35-10.5 статичне середнє зусилля змінилося з 642,9кН при існуючому до 632,9кН при оптимальному, а максимальне залишилось незмінним –,0кН; сумарне середнє зусилля змінилось з 643,0кН до 631,1кН (на 1,5%), а максимальне зросло з 854,9кН до 855,0кН (на 0,01%).
  8.  Визначено конструктивні параметри рейкового приводу, що забезпечують оптимальний енергетичний режим зміни вильоту. Так, для стрілової системи крана КПМ 32-35-10.5 параметри ар=10,27м, bр=8,88м, ψр=2,308рад, для стрілової системи крана “Сумітомо” - ар=10,34м, bр=7,79м, ψр=2,196рад, “Черетті-Танфані” - ар=7,56м, bр=5,99м, ψр=2,237рад, Перевірка показала, що при розрахованих оптимальних конструктивних параметрах приводу механізм є не конструктивним, а при підібраних раціональних конструктивних параметрах ефект від впровадження оптимального енергетичного режиму незначний. Так, для існуючої стрілової системи крана КПМ 32-35-10.5 максимальне значення кінетичної енергії складає 3,408кДж, крана “Сумітомо” - 15,341кДж, крана “Черетті-Танфані” - 9,776кДж. Після впровадження режиму з оптимальними параметрами приводу –крана КПМ 32-35-10.5 - 3,101кДж, крана “Сумітомо” - 14,098кДж, крана “Черетті-Танфані” - 8,138кДж.
  9.  Реалізація необхідного режиму зміни вильоту стрілових систем здійснюється: в приводі рейкового МЗВ за рахунок синтезу зубчастих колес оптимальних радіусів, в приводі поліспастного МЗВ за рахунок синтезу барабана оптимального профілю, в приводі гідравличного МЗВ за рахунок синтезу оптимального профілю сектора. Розрахований таким чином оптимальний профіль сектора гідравличного приводу стрілової системи крана КПМ 32-35-10,5 змінюється в межах від 0,15 до 0,277м. Для стрілових систем кранів КПМ 32-35-10,5, КПМ 75-20-10,5 і КПМ 40-27-10,5 з поліспастним приводом зміни оптимальних радіусів барабанів відбувається в межах 0,471…0,517м, 0,552…0,661м і 0,474…0,505м відповідно. В рейковому приводі стрілової системи крана КПМ 32-35-10,5 оптимальні радіуси зубчастих колес знаходяться в інтервалі 0,2…0,179м і 0,183…0,204м.
  10.   Перевірка адекватності отриманих результатів засвідчила, що, по-перше, запропанована математична модель достатньо точно описує рух елементів існуючих стрілових систем –значення кутових координат стріли, отримані з розв’язку математичної моделі практично не відрізняється від відповідних значень отриманих аналітично для існуючих стрілових систем. По-друге, зміна вильоту стрілової системи на ділянці усталеного руху здійснюється в сталому режимі –ротор двигуна приводу обертається майже з постійною швидкістю. По-третє, теоретичне зусилля в зубчастих рейках приводу рейкового механізму зміни вильоту відрізняється від експерементального в задовільних межах (13%).
  11.  Результатом роботи є розробка науково обгрунтованої інженерної методики розрахунку оптимального енергетичного режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи на ділянці усталеного руху, яка реалізована у вигляді програм для ЕОМ та розробки конкретних конструкцій приводних механізмів, які реалізують цей режим руху. Розрахунок економічної ефективності від впровадження оптимального енергетичного режиму руху для стрілової системи крана “Кондор” свідчить про заощадження 2994,11 грн. на рік при вартості електроенергії 0,18 грн/(кВт∙г).

список основних праць

  1.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Оптимізація конструктивних параметрів приводу механізму зміни вильоту стрілової системи крана // Гірн., будів., дор. та меліорат. машини:Респ. міжвід. наук.-техн. зб. - К.:КДТУБА, 1998. –Вип. 52. –С. 72 –.
  2.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Аналіз енергетичних і силових характеристик реальних врівноважених стрілових систем кранів // Гірн., будів., дор. та меліорат. машини:Респ. міжвід. наук.-техн. зб. - К.:КДТУБА, 1999. –Вип. 53. –С. 67 –.
  3.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Аналіз інерційних зусиль в зубчастій рейці приводу на ділянці сталого руху при різних режимах руху стрілових систем кранів // Гірн., будів., дор. та меліорат. машини: Респ. міжвід. наук.-техн. зб. –К.: КНУБА, 1999. –Вип. 54. –С. 53 –.
  4.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Оптимізація енергетичного режиму при зміні вильоту стрілових систем кранів // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. –Харьков, 1999. –Вып. 48. –С. 166 –.
  5.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Вплив режимів руху реальних врівноважених стрілових систем кранів на енергетичні і силові характеристики // Вестник Севастопольского государственного технического университета. –Севастополь, 2000. –Вып. 23. –С. 10 –.
  6.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Вплив режиму зміни вильоту врівноваженої стрілової системи на коливання вантажу // Вісник Східноукраїнського державного уніврситету. –Луганськ.: СУДУ, 2000. - №6(28). –С. 32 –.
  7.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Синтез оптимального профілю сектора гідравлічного механізму вильоту врівноваженої стрілової системи крана // Автомобильный транспорт. Сб. науч. тр. Серия совершенствование машин для земляных работ. –Харьков, 2000. - №5. –С. 148 –.
  8.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Синтез оптимального профілю барабана поліспастного механізму вильоту врівноваженої стрілової системи крана // Гірн., будів., дор. та меліорат машини: Респ. міжвід. наук.-техн. зб. –К.: КНУБА, 2000. –Вип. 55. –С. 52 –.
  9.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Синтез зубчастих колес оптимальних радіусів рейкового механізму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана // Техніка будівництва. –К.: КНУБА, 2000.–№8.–С. 91-94.
  10.  Ловейкин В. С., Душанин Я. С. Синтез оптимального энергетического режима изменения вылета груза уравновешенной стреловой системы крана / Материалы VII междунар. конфер. “Новые технологии в машиностроении”. –Харьков –Рыбачье: Ассоциация технологов-машиностроителей Украины, 1998. –С. 228 –.
  11.  Ловейкін В. С., Душанін Я. С. Синтез оптимального енергетичного режиму руху стрілової системи крана при зміні вильоту вантажу / Материалы III междунар. научн.–техн. конфер. “Динамика, прочность, компьютер, образование”. –Севастополь: СевГТУ, 1998. –С. 34 –.
  12.  Душанін Я. С. Мінімізація енергетичних витрат в процесі зміни вильоту врівноважених стрілових систем кранів / Тези доповідей 61-ї наук.-практ. конфер. “Науково-практичні проблеми цивільної оборони в системі міністерства надзвичайних ситуацій”. –К.: КНУБА, 2000. –С. 19.

анотація

Душанін Я. С. Оптимізація сталого режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.05 –Піднімально-транспортні машини. –Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ, 2001.

Дисертація присвячена проблемі зниження енергетичних витрат в елементах врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем портальних кранів при усталеному режимі зміни вильоту вантажу. Проаналізовані існуючі шляхи реалізації даної задачі і запропановано новий. Розроблено математичну модель зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи. Наведені і проаналізовані режими зміни вильоту існуючих врівноважених шарнірно-зчленованих стрілових систем кранів. Обрано критерій оптимізації на основі якого розроблено методику оптимізації енергетичного режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана. Розраховані конструктивні параметри приводних механізмів, які забезпечують оптимальний енергетичний режим зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи на ділянці усталеного руху та розроблені конструкції приводних механізмів, що реалізують цей режим.

Ключові слова: врівноважена шарнірно-зчленована стрілова система, математична модель, критерій оптимізації, енергетичний режим зміни вильоту, приводний механізм.

аннотация

 Душанин Я. С. Оптимизация установившегося режима изменения вылета уравновешенной шарнирно-сочлененной стреловой системы крана. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 –Подъемно-транспортные машины. –Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2001.

Диссертация посвящена проблеме снижения энергетических затрат в элементах уравновешенных шарнирно-сочлененных стреловых систем портальных кранов при установившемся режиме изменения вылета груза. Проанализированы существующие пути реализации данной задачи (достижение горизонтального перемещения груза за время рабочего движения, уравновешивание собственного веса стрелового устройства и уменьшение массы и инертности стреловых устройств) и предложен новый, суть которого состоит в выборе режимов движения отдельных элементов таким образом, чтобы на протяжении участка установившегося движения кинетическая энергия всей стреловой системы была близка к постоянной. Разработана математическая модель изменения вылета уравновешенной шарнирно-сочлененной стреловой системы. Приведены и проанализированы режимы изменения вылета существующих уравновешенных шарнирно-сочлененных стреловых систем кранов. Анализ полученных результатов показывает, что в стреловых системах кранов максимальные значения кинетической энергии превышают ее средние значення в несколько раз. Выбран критерий оптимизации на основании которого разработана методика оптимизации энергетического режима изменения вылета уравновешенной шарнирно-сочлененной стреловой системы крана. Рассмотрено влияние оптимального режима движения стреловой системы на колебания груза и усилие в зубчатой рейке рейкового механизма изменения вылета. В результате анализа установлено, что оптимизация энергетического режима изменения вылета уравновешенных шарнирно-сочлененных стреловых систем кранов позволяет уменьшить отклонение груза от вертикали на 10%. Из анализа полученных усилий следует, что на участке установившегося движения во всех стреловых системах кранов динамическая (значительно) и статическая (незначительно) составляющие в зубчатой рейке при оптимальном енергетическом режиме изменения вылета изменились в сравнении с существующим режимом. При этом динамическое усилие составляет меньшую часть в сравнении со статическим. Сравнительный анализ показывает, что оптимизация установившегося режима изменения вылета стреловой системы практически не повлияла на усилия в зубчатой рейке привода. Рассчитаны конструктивные параметры приводных механизмов, которые обеспечивают оптимальный энергетический режим изменения вылета уравновешенной шарнирно-сочлененной стреловой системы на участке установившегося движения и разработаны конструкции приводов трех механизмов изменения, которые реализуют этот режим. Определены функции кинетической энергии для существующего, оптимального и режима изменения вылета з подобраными параметрами. Проверена адекватность и эффективность полученых результатов. Оценена достоверность результатов принятой математической модели шарнирно-сочлененных стреловых систем существующим стреловым системам. Проверено предположение про неизменный характер скорости движения ротора электродвигателя во время установившегося режима изменения вылета шарнирно-сочлененной стреловой системы. Как свидетельствует анализ полученых результатов расхождение между сравниваемыми величинами не превышуют 10%. С целью проверки эффективности полученых результатов рассчитаны годовые сбережения электроэнергии в приводе стреловой системы крана “Кондор”. Как свидетельствуют расчеты, годовая экономия составляет 2994,11 грн. с одного крана за счет уменьшення энергозатрат во время пуска приводного механізма.

Ключевые слова: уравновешенная шарнирно-сочлененная стреловая система, математическая модель, критерий оптимизации, энергетический режим изменения вылета, приводной механизм.

the summary

Dushanin Y.S. Optimisation of the established mode of change in radius counterbalanced articulated boom system of the crane. - The Manuscript.

The Dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.05.05 - Hoisting-and-transport machines. - The Kiev national university of construction and architecture, Kiev, 2001.

The Dissertation is devoted to a problem of power reduction expenses in elements counterbalanced articulated boom systems of portal cranes at the established mode of change in radius of a load. Are analysed existing and the new direction in realisation of this purpose is offered. It is developed mathematical model of change in radius counterbalanced articulated boom systems. Are given and analysed modes of change in radius existing counterbalanced articulated boom systems of cranes. The criterion of optimisation is chosen on the basis of which the technique of optimisation of a power mode of change in radius counterbalanced articulated boom systems of the crane is developed. Design data drive mechanism, which should provide an optimum power mode of change in radius, counterbalanced articulated boom systems on a site of the established movement are designed and designs drive mechanisms, which realise this mode, are developed.

Key words: counterbalanced articulated boom system, mathematical model, and criterion of optimisation, power mode of change in radius, drive mechanism.

Душанін Ян Станіславович

Оптимізація сталого режиму зміни вильоту врівноваженої шарнірно-зчленованої стрілової системи крана

Підп. до друку   .   . 01. Формат 6084/16. Папір письм.

Офс. друк. Ум. друк. арк.      .

Тираж 100 пр. Зам.     .

Видавничий центр КНТЕУ. Друкарня ВЦ КНТЕУ.

, Київ-156, вул. Кіото, 19.




1. Проблемы средового подхода к современной московской архитектуре
2. Общая и физическая химия ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ Методические указания
3. Класифікуйте види тіста для хлібобулочних та борошняних виробів які використовувались для експеримен
4. На мячик Тихо и мирно лежит футбольный фанат Александр
5. Тема урока- Городское и сельское население России 8 класс
6. .1.Проблема воспитания патриотизма в отечественной дошкольной педагогике
7. не г Донецка по ул
8. Кримінологія
9. Медовик Алтая Адрес производства- Алтайский край село Калманка ул
10. Тема- Значение саморегулируемых организаций СРО в системе правового регулирования оценочной деятельности
11. Дизайн и оформление печатной рекламы.html
12. на тему- ldquo;Социальнополитическая структура гражданского общества и ее динамика в постсоциалистических
13. ТЕМАТИКА КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ ПО ФИЛОСОФИИ
14. Тема- Транспорт Цель- развитие фонематических представлений
15. Тема 19 ПОЛИТИКА ЗАНЯТОСТИ 1
16. носителей серии Flcon
17. Intel Pentium 4
18. Товариства та співдружності в державному устрої зарубіжних країн Законодавча влада в США
19. Производство кокса.html
20. тема а~паратты жинау~а са~тау~а іздеуге ж~не с~раным бойынша талап етушіге жеткізуге арнал~ан программа

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе