Поліпшення динамічних характеристик мостових кранів застосуванням гальмових пристроїв із самопідсиленням

14

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКА ІНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГІЧНА АКАДЕМІЯ

УДК 621.874

ПОЛІПШЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОСТОВИХ КРАНІВ ЗАСТОСУВАННЯМ ГАЛЬМОВИХ ПРИСТРОЇВ ІЗ САМОПІДСИЛЕННЯМ

Спеціальність 05. 05. 05 - Піднімально-транспортні машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Шевченко Сергій Іванович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Старченко Валерій Миколайович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри “Автомобілі”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пенчук Валентин Олексійович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини та обладнання”;

кандидат технічних наук, професор Вишневецький Георгій Валентинович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри підйомно-транспортні машини і обладнання.

Захист відбудеться: “10” червня 2010 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради К 64.108.02 при Українській інженерно-педагогічній академії за адресою: 61003, м. Харків, вул. Університетська, 16.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Української інженерно-педагогічної академії за адресою: 61003, м. Харків, вул. Університетська, 16.

Автореферат розісланий “30” квітня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради Фідровська Н. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні в Україні загальний парк вантажопіднімальних кранів становить близько 91 тис. одиниць, з яких 40% доводиться на крани мостового типу. Проведений статистичний аналіз стану парку вантажопіднімальних кранів вказує на збільшення їх кількості, які експлуатуються після досягнення ними встановленого амортизаційного терміну експлуатації. Так, для кранів мостового типу із загальної кількості 35 тис. одиниць 88% відпрацювали амортизаційний термін експлуатації і продовжують експлуатуватися. Ця тенденція пов'язана із задовільним станом їхньої металоконструкції і можливістю продовження терміну експлуатації. Основним елементом мостового крана, що лімітує його довговічність, є металоконструкція, в якій завдяки динамічним навантаженням, що виникають в перехідних процесах, накопичуються залишкові деформації і розвиваються тріщини втомленості. Зниження динамічних навантажень, що виникають у металоконструкції при гальмуванні мостових кранів, дозволить поліпшити умови їхньої експлуатації і більш повно використовувати їхній фактичний ресурс. У зв'язку з цим поліпшення динамічних характеристик мостових кранів застосуванням у механізмах пересування автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до тем: "Разработка теоретических основ создания перспективных механизмов подъемно-транспортной техники" № держ. реєстрації 0195U015417; "Разработка теоретических основ многопараметрического анализа процесса торможения" № держ. реєстрації 0198U002865; "Наукове обґрунтування, виготовлення та випробування дослідних вузлів і деталей, виготовлених з композиційних матеріалів на основі вуглецю, для опорних і гальмових пристроїв тепловоза ТЕП 150 і рухомого складу" № держ. реєстрації 0105U006925.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в поліпшенні динамічних характеристик мостових кранів шляхом застосування в механізмах пересування автоматичних гальмових пристроїв нормально закритого типу із самопідсиленням.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- розробити математичну модель розрахунку вихідних параметрів автоматичного нормально закритого гальмового пристрою з урахуванням впливу додаткового ступеня вільності гальмівних колодок і ефекту самопідсилення;

- встановити вплив характеру і часу зростання гальмівного моменту на рівень горизонтального інерційного навантаження, що виникає в металоконструкції мостового крана при гальмуванні механізмів пересування, обладнаних гальмовими пристроями із самопідсиленням;

- встановити залежності зміни вихідних параметрів нової конструкції автоматичного гальмового пристрою нормально закритого типу із самопідсиленням від режимів гальмування механізму;

- створити експериментальну установку і вимірювальний комплекс з програмним забезпеченням та виконати комплексні експериментальні дослідження нових конструкцій автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням і встановити закономірності впливу параметрів гальмування на характер і величину гальмівного моменту;

- оцінити економічну ефективність застосування автоматичних гальмових пристроїв нормально закритого типу із самопідсиленням при модернізації механізмів пересування мостових кранів.

Об'єкт дослідження: процес гальмування механізмів пересування мостових кранів з автоматичними нормально закритими гальмовими пристроями і самопідсиленням.

Предмет дослідження: закономірності зміни гальмівного зусилля привода від дії конструктивних і експлуатаційних чинників.

Методи дослідження. Для аналізу стану поставленого питання дослідження застосований метод експертних оцінок. У теоретичній частині використовуються числові методи розв'язання диференціальних рівнянь, метод багатопараметричного аналізу динаміки мостових кранів. У експериментальній частині використано методи тензометрії та технічних вимірювань, для обробки результатів використовуються методи теорії ймовірності та математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримала подальшого розвитку теорія розрахунку автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв з урахуванням дії на систему додаткового ступеня вільності гальмівних колодок;

- вперше запропоновано теоретичне обґрунтування і конструктивне виконання автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв з ефектом самопідсилення для застосування в механізмах пересування мостових кранів;

- встановлено вплив характеру і часу зростання гальмівного моменту на рівень горизонтального інерційного навантаження, що виникає в металоконструкції мостового крана при гальмуванні механізмів пересування;

- вперше отримано залежності зміни вихідних параметрів автоматичного нормально закритого гальмового пристрою із самопідсиленням від режимів гальмування механізму;

- встановлено закономірності впливу параметрів гальмування на величину гальмівного моменту, що реалізується автоматичним нормально закритим гальмівним пристроєм із самопідсиленням.

Практична значущість отриманих результатів: Розвиток теорії розрахунку автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із урахуванням дії на систему додаткового ступеня вільності гальмівних колодок дозволив, задавши раціональний характер зростання гальмівного моменту і геометричні розміри елементів гальмового пристрою із самопідсиленням, визначити геометричні параметри напрямних пазів, здатних забезпечити заданий характер наростання гальмівного моменту.

Практична цінність роботи підтверджена новими технічними рішеннями (гальмівні колодки, гальмо вантажопіднімального механізму та ін.), виконаними на рівні винаходів і захищеними патентами.

Розроблені методики розрахунків, алгоритми, програмні і технічні засоби знайшли практичне застосування в практиці досліджень експертно-діагностичної науково-дослідної лабораторії вантажопіднімальних машин Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, а також в практиці експлуатації мостових кранів ХК "Луганськтепловоз".

Основні результати досліджень, лабораторні стенди і установки застосовуються в навчальному процесі, в науково-дослідній роботі, в курсовому і дипломному проектуванні при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів за фахом "Піднімально-транспортні машини", а також в курсі дисципліни "Багатопараметричний аналіз динаміки вантажопіднімальних машин" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві:

- запропоновано конструкцію нового нормально закритого гальмового пристрою автоматичної дії із самопідсиленням [1];

- розглянуто питання нерівномірності розподілу питомого тиску на колодці для гальмових пристроїв із самопідсиленням [2];

- здійснено оцінку роботоздатності розробленого вимірювально-діагностичного модуля для контролю і діагностики гальмових пристроїв вантажопіднімальних кранів [3];

- виконано математичне моделювання роботи автоматичного гальмового пристрою із самопідсиленням [4];

- проведено попередні експериментальні дослідження процесу гальмування механізму автоматичним нормально закритим гальмовим пристроєм із самопідсиленням [5];

- на основі експериментальних досліджень виконано оцінку впливу температури на коефіцієнт тертя для серійного фрикційного матеріалу типу ЭМ-2 [7];

- розглянуто питання впливу характеру зростання гальмівного моменту на рівень динамічних навантажень, що виникають у механізмах при гальмуванні [8];

- виконано оцінку впливу часу зростання гальмівного моменту в приводі механізму пересування мостового крана на величину горизонтального інерційного навантаження, що виникає в його металоконструкції при гальмуванні [10];

- розглянуто вплив температури фрикційного матеріалу ЭМ-2 гальмівної колодки на величину часу гальмування механізму пересування мостового крана [11].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на дев'яти науково-технічних конференціях, серед них сім міжнародних: V Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы развития локомотивостроения", Алушта, Крим, 2-6 жовтня 1995 р.; V Міжнародній науково-практичній конференції "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении", Луганськ, 14-17 травня 1996 р.; VII Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы развития рельсового транспорта", Лівадія, Крим, 29 вересня - 3 жовтня 1997 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы развития подъемно-транспортной техники", Луганськ, вересень 2000 р.; науковій конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників "Наука-2004", Луганськ, квітень 2004 р.; VII Міжнародній науково-технічній конференції "Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы", Севастополь, 13-18 вересня 2004 р.; науковій конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників "Наука-2006", Луганськ, 18-21 квітня 2006 р.; II Міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців "Азовмаш-2008", Маріуполь, 5-8 червня 2008 р.; XVIII Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы развития рельсового транспорта", Ялта, 22-26 вересня 2008 р. В цілому, робота обговорювалася на розширеному науковому семінарі кафедри ПТТ СНУ ім. В. Даля (м. Луганськ, 2009 р.), науковому семінарі кафедри ПАТ УІПА (м. Харків, 2009 р.), науковому семінарі кафедри БДМ ХНАДУ (м. Харків, 2009 р.), науковому семінарі кафедри ПТМіО НТУ ХПІ (м. Харків, 2009 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в дванадцяти наукових виданнях, серед яких десять у спеціалізованих, що входять до переліку ВАК України, три з них ? одноособові. Опубліковано шість тез доповідей міжнародних науково-технічних конференцій. Отримано три декларативні патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 207 сторінок, зокрема 82 рисунків, 18 таблиць, 5 додатків на 36 сторінках. Список використаних джерел містить 153 найменування на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто обґрунтування вибраної теми, її актуальність, сформульовано мету і завдання дослідження, наукову новизну і практичне значення; визначено об'єкт і предмет дослідження.

У першому розділі розглянуто роботи, пов'язані з дослідженнями гальмових пристроїв вантажопіднімальних кранів, виконано аналіз технічних рішень і практики конструювання гальмових пристроїв. Проаналізовано особливості роботи приводів, обладнаних автоматичними гальмовими пристроями нормально закритої конструкції. Виконано огляд досліджень динаміки мостових кранів при гальмуванні механізму пересування.

Класичні роботи дослідження динаміки вантажопіднімальних кранів, оптимізації управління механізмів у перехідних режимах і створення автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв, отримали значний розвиток в роботах М.П. Александрова, І.І. Артоболевського, С.М. Борисова, Л.Я. Будікова, Д.П. Волкова, О.І. Вольченка, В.Ф. Гайдамаки, М.М. Гохберга, О.В. Григорова, Ф.К. Іванченка, В.Г. Іноземцева, С.А. Казака, Б.С. Ковальського, М.С. Комарова, М.О. Лобова, В.С. Ловейкина, А.П. Нестерова, М.М. Рунова, В.Ф. Семенюка, С.Т. Сергєєва, В.М. Федосєєва, А.В. Чічінадзе та ін., а також в роботах іноземних дослідників Х. Дресіга (H. Dresig), Ф. Зедльмайєра (F. Sedlmayer), М. Коса (M. Kos), Ф. Курта (F. Kurth), Х. Терша (H. Tersch), М. Шеффлера (M. Scheffler) та ін. Результати цих досліджень отримали широке застосування в розробці нових стандартів, норм розрахунків, рекомендацій при проектуванні і експлуатації, створенні пристроїв і систем що сприяють зниженню динамічних навантажень. Проте аналіз експлуатації вантажопіднімальних кранів свідчить про недостатній рівень ефективності роботи автоматичних гальмових пристроїв (рис. 1). Чимала кількість недоліків спостерігається в механізмах, обладнаних гальмовими пристроями нормально закритої конструкції автоматичної дії, широко застосовуваних в механізмах пересування мостових кранів. Так, при їхній експлуатації спостерігається систематичне розпускання замикаючої пружини гальма обслуговуючим персоналом, що призводить до нездатності гальмового пристрою забезпечити гальмівний момент необхідної величини, проте це, незважаючи на заборони органами Держгірпромнагляду України, сприяє зниженню динамічних навантажень, що виникають при гальмуванні мостових кранів і підвищенню їхньої маневреності.

Одним з напрямів зниження динамічних навантажень вантажопіднімальних кранів при гальмуванні є застосування приладів і гальмових пристроїв, здатних змінювати гальмівний момент за ступінчастою або плавно-зростаючою характеристикою, проте, більшість розглянутих способів вимагають значних матеріальних витрат і при модернізації кранів не є актуальними.

Узагальнюючи дослідження багатьох учених, відзначимо істотний вплив механічних характеристик приводів на динамічні навантаження при гальмуванні вантажопіднімальних кранів. Застосування керованих пускових і гальмових пристроїв і регульованих приводів у механізмах пересування дозволяє зменшити динамічні навантаження, поліпшити техніко-експлуатаційні показники роботи кранів. Проте в більшості розглянутих способів зниження динамічних навантажень існують недоліки: істотне збільшення тривалості гальмування і, як наслідок, гальмівного шляху; не враховуються коливання вантажу на початку перехідних режимів, що помітно позначається на ефективності системи; складність реалізації деяких способів управління приводів унаслідок великих матеріальних витрат; ускладнення конструкції.

Напрямом збільшення ефективності гальмування є зміна конструкції гальма, що дозволяє використовувати накопичену кінетичну енергію механізмів для процесу гальмування, як наслідок, зниження додаткових енергетичних витрат і створення реальних умов для забезпечення необхідних гальмових характеристик. Враховуючи досвід фахівців у галузі динаміки перехідних процесів вантажопіднімальних кранів і застосування методу експертних оцінок було отримано підтвердження обраного напряму дослідження (рис. 2).

У другому розділі отримала подальший розвиток теорія розрахунку автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв з урахуванням дії на систему додаткового ступеня вільності гальмівних колодок. Моделювання проведене з метою визначення геометричних параметрів автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням за заданою функцією (раціональною) зміни гальмівного моменту.

Розроблена математична модель дозволяє в процесі роботи оцінювати гальмівні характеристики цієї системи на основі сил, що діють у ланках гальмового пристрою. Це, у свою чергу, дає можливість визначити фактичний гальмівний момент і час його наростання, а також, задаючи характер наростання гальмівного моменту, визначати геометричні характеристики напрямного паза для гальмових пристроїв із самопідсиленням.

Аналізуючи роботу гальма і розглядаючи його структуру, зокрема колодки, необхідно відзначити, що вони можуть бути замінені ланкою у виді тяги, що сполучає палець гальмівної колодки і точку гальмівної обкладки, через яку проходить рівнодіюча сил S (рис. 3), що діють на колодку. Таке припущення обумовлене нерівномірністю розподілу питомого тиску по довжині гальмівної колодки. Величину і напрям рівнодіючої визначено згідно із уточненим розрахунком, наведеним в роботах Ф.М. Четирбока і проф. Л.Г. Кифера.

В процесі гальмування механізму робота гальма розбивається на три основні етапи - процес спрацьовування (замикання), гальмування і розгальмування (розмикання). Тривалість першого і третього етапу визначена згідно з методикою, запропонованою проф. С.А. Казаком.

Процес гальмування механізму гальмом із самопідсиленням має значні відмінності, пов'язані з наявністю напрямних пазів, по яких переміщуються колодки в процесі роботи. При розробці математичної моделі здійснені припущення: всі ланки абсолютно жорсткі; відсутня пружна деформація елементів; відсутнє зношення елементів системи; точки прикладення рівнодіючих сил, що діють на колодки, розташовані в площині гальмівного шківа (таке спрощення призводить до зниження сили на 2,5%, проте ця зміна лежить в межах зміни коефіцієнта тертя фрикційного матеріалу, яке відбувається при роботі гальма); рух гальмівних колодок ідентичний; вага ланок незначна порівняно із силами, що діють на них. З урахуванням введених припущень розрахункова схема нормально закритої конструкції автоматичного гальма із самопідсиленням зображена на рис. 4. В результаті розв'язання систем рівнянь алгебри, які описують розташування ланок в процесі роботи, визначено розташування і координати всіх ланок гальма.

В процесі гальмування, завдяки силам тертя, колодки повертаються у напрямку руху гальмівного шківа, унаслідок чого відбувається зміна плеча дії сил S і S1, що приводить до збільшення величини сили притискання P1 (рис. 4). Виразивши силу P1 через зусилля замикаючої пружини, отримаємо фактичний гальмівний момент, що реалізовується гальмом з урахуванням геометрії напрямних пазів гальмових важелів.

Проте набагато важливіше розв'язати протилежну задачу, задаючи функцію зміни гальмівного моменту F(t) (раціональну), отримати геометричні параметри напрямного паза. Тоді функцію зміни кута повороту гальмових важелів можна записати у виді , де - максимальний кут повороту гальмового важеля гальма (з урахуванням ходу гідроштовхача).

При роботі гальма, завдяки руху гальмових колодок по напрямних пазах, його гальмові важелі розходяться на величину (рис. 4), і відстань між верхніми шарнірами гальмових важелів становитиме , де Ls - відстань між нижніми шарнірами важелів гальма. Тоді кут відхилення від вертикалі триплечового важеля запишеться у виді:

, (1)

де Lt - довжина з'єднуючої тяги гальма; g - відстань між шарнірами (рис. 4).

Величину додаткового дотискання замикаючої пружини гальма із самопідсиленням, завдяки переміщенню гальмових колодок, можна визначити з виразу . Тоді відстань між шарнірами лівої колодки і лівого гальмового важеля в кінцевому розташуванні колодки:

(2)

де - кут повороту колодок гальма за напрямом обертання гальмівного шківа; d - відстань між нижнім шарніром важеля та колодкою; ; а - відстань від центру шківа до центру кріплення колодки.

Фактично реалізоване зусилля, що замикає пружини при повороті триплечового важеля після її дотискання , де -настановне зусилля пружини; Кп- жорсткість пружини. Тоді сила притискання лівої колодки для гальма з самопідсиленням становитиме:

, (3)

де с, h - геометричні розміри гальма (рис. 4).

Зміна гальмівного моменту в процесі роботи гальма із самопідсиленням може бути записана у виді:

, (4)

де MГ1 - зростання гальмівного моменту при повороті гальмівних колодок за напрямом обертання гальмівного шківа; MГ2 - гальмівний момент в кінцевому положенні (після повороту) колодок гальма; - коефіцієнт тертя фрикційного матеріалу; в - ККД важільної системи; tн - час зростання гальмівного моменту.

Геометричні параметри напрямного паза визначаються з довжини хорди та кута між нею і важелем, що змінюється в процесі роботи гальма. Так, для верхньої половини напрямного паза:

, (5)

де - відстань від шарніра важеля до центру шківа та кут його нахилу.

. (6)

Кут між хордою верхньої половини паза і важелем:

. (7)

Задавшись умовою, що довжина хорди нижньої частини паза дорівнює довжині верхньої частини (), отримаємо кут між хордою нижньої половини паза і гальмовим важелем:

. (8)

Відстань між шарнірами правої колодки і гальмовим важелем в кінцевому положенні колодки:

. (9)

Сила притиснення правої колодки гальма при максимальному куті її повороту:

. (10)

Приріст гальмівного моменту, забезпечений додатковим дотисканням замикаючої пружини, становить .

Знаючи довжину хорди верхньої і нижньої частини паза та кут між нею і важелем, що змінюється в процесі роботи гальма, та перетворивши координати з полярної системи в декартову, одержуємо обумовлені геометричні параметри напрямного паза гальмового важеля.

На основі вищевикладеного досить невимушено, залежно від заданої функції зміни гальмівного моменту, визначити геометричні параметри напрямних пазів гальма із самопідсиленням.

Для перевірки адекватності було виконане математичне моделювання геометричних параметрів напрямних пазів гальма із самопідсиленням із діаметром шківа 200 мм і величиною номінального гальмівного моменту 240 Н·м. Як функція зміни гальмівного моменту було задано функцію насичення (рис. 5), що дозволяє описувати велику кількість різних режимів гальмування:

. (11)

Розв'язання рівнянь (1?10) в межах величин моменту (11) виконувалося числовим методом шляхом розбиття вибраної ділянки переміщення колодки на ряд інтервалів, значення функції в кінці кожного інтервалу було початковим для подальшого. Для зручності розрахунку геометричних параметрів напрямних пазів гальмового пристрою в системі інженерного програмування Matlab (ліц. №25939, 3.5g) було складено програму, що дозволяє при введенні заданих умов процесу гальмування і геометричних розмірів елементів гальма отримати в декартовій системі координат форму напрямного паза.

В результаті розрахунків отримано геометричну форму і розміри напрямних пазів гальмового пристрою із самопідсиленням залежно від заданої функції гальмівного моменту (11), її представлено на рис. 5. Для проведення експериментальних досліджень гальмового пристрою із самопідсиленням було виготовлено чотири пластини з розрахунковою геометрією напрямних пазів, встановлюваних в експериментальний зразок гальма для проведення подальших експериментальних досліджень.

Аналізуючи результати дослідження, можна зробити висновок, що розроблена методика дозволяє, знаючи раціональний характер зростання гальмівного моменту і геометричні розміри елементів гальмового пристрою із самопідсиленням, визначити геометричні параметри напрямних пазів, здатних забезпечити заданий характер зростання гальмівного моменту в заданому діапазоні.

Третій розділ присвячується питанням теорії розрахунку раціональної механічної характеристики механізму пересування мостового крана загального призначення, обладнаного гальмовими пристроями із самопідсиленням у процесі його гальмування.

Процес гальмування мостових кранів характеризується безліччю параметрів, визначаючими з яких є: час гальмування крана tГ, максимальне горизонтальне інерційне навантаження на металоконструкцію Pмmax, що характеризує максимальні динамічні навантаження, максимальне навантаження в приводі механізму пересування Pпmax, максимальна амплітуда відхилення вантажу від вертикалі після зупинки крана Amax (рис. 6). Вказані параметри всебічно і досить повно характеризують перехідний процес і багато в чому визначають техніко-експлуатаційні характеристики мостового крана. Оскільки апріорна інформація дозволяє дати попередню оцінку кожному окремому параметру, то їхню сукупність можна представити за допомогою узагальненого критерію оптимізації, використовуючи узагальнену функцію бажаності Харрінгтона (E.C. Harington) (рис. 6). Для мостових кранів загального значення вантажопідйомності 15/3 тонн, що працюють в рамному цеху ХК "Луганськтепловоз", частинні функції бажаностей запишуться у виді:

; (12)

; (13)

; (14)

. (15)

Як варійовані чинники прийнято величину максимального гальмівного моменту і час його наростання , оскільки вони значно впливають на механічну характеристику і динамічні навантаження в процесі гальмування механізму пересування крана.

Моделювання гальмування механізму пересування виконувалося з урахуванням зміни зведеної до поступального пересування гальмівної сила привода, при цьому математична модель крана запишіться у вигляді:

(16)

де - зведена до ходових коліс маса частин привода, що обертаються;  - маса моста, зведена до переміщення кінцевих балок; - зведена до середини прольоту маса середніх частин моста і порожнього візка; - маса вантажу; - зведена до поступального пересування крана гальмівна сила привода в різних режимах; - сила статичного опору пересуванню крана; - зведений до ходових коліс коефіцієнт жорсткості приводу механізму пересування крана; - коефіцієнт жорсткості металоконструкції крана в горизонтальній площині; - горизонтальна складова натягнення вантажних канатів при (xм-xв)=1 (при цьому горизонтальна складова вважається пропорційною амплітуді відхилення вантажу); - коефіцієнт загасання коливань (демпфування) привода пересування крана; - коефіцієнт загасання коливань (демпфування) металоконструкції в горизонтальній площині; xп, xк, xм, xв - переміщення, що проходять відповідні маси від початку координат.

В результаті розв'язання математичної моделі (16) одержано значення tГ, Pмmax, Pпmax, Аmax, які за допомогою рівнянь (12-15) перетворені в частинні бажаності d1, d2, d3, d4. Об'єднання частинних бажаностей в узагальнену бажаність DiЕ виконується за формулою .

В результаті обробки отриманих даних методами регресивного аналізу отримано рівняння:

. (17)

При перевірці всі коефіцієнти рівняння 17 виявилися значимі, а значення коефіцієнта варіації склало =4,98%, отже, дана модель адекватна.

Рівняння регресії (17) дозволяє досліджувати вплив прийнятих чинників на величину параметрів і характер перебігу гальмівного процесу і розраховувати для досліджуваного мостового крана значення узагальненого критерію D для будь-яких поєднань МГ і tн в цьому інтервалі їхнього варіювання, причому точність розрахунку має той же порядок, що і при розв'язанні системи диференційних рівнянь руху (16), про що свідчить його перевірка на адекватність. Іншою характерною особливістю є можливість за значенням коефіцієнтів при чинниках оцінювати їхній вплив на визначений параметр процесу гальмування (рис. 7).

В результаті проведених досліджень одержано раціональні значення величини гальмівного моменту МГ і часу його зростання tн з урахуванням основних параметрів перехідного процесу гальмування: часу гальмування tГ; максимального горизонтального інерційного навантаження на металоконструкцію Pмmax; максимального навантаження в приводі механізму пересування Pпmax, максимальної амплітуди відхилення вантажу після зупинки крана Аmax. Так, в одинадцятому досліді набуто найбільшого значення критерію оптимізації D=0,924, якому відповідають регулювання гальма на гальмівний момент МГ=125 Н·м і час його зростання tн=0,18 с. При цьому основні параметри перехідного процесу гальмування: час гальмування tГ=3,72 с; величина максимального горизонтального інерційного навантаження на металоконструкцію Pмmax=16,21 кН; величина максимального навантаження в приводі механізму пересування Pпmax=13,46 кН; максимальна амплітуда відхилення вантажу від вертикалі після зупинки крана Аmax=0,36 м. На рис. 8 показано графік зміни параметрів перехідного процесу при гальмуванні крана за визначеною механічною характеристикою і для прикладу графік гальмування за відсутності часу наростання.

Для того щоб оцінити ефект, досягнутий завдяки модернізації привода механізму пересування шляхом установки гальмових пристроїв із самопідсиленням, розглянемо гальмування механізму пересування крана за різними раціональними механічними характеристиками, які забезпечуються: стандартним, ступеневим, противмиканням, комбінованим гальмуванням. Слід зазначити, що у всіх цих випадках після зупинки крана величина, зведена до ходових коліс гальмівної сили привода Pг=12,44 кН, була незмінною, оскільки вона визначена згідно із розрахунками. Моделювання виконане на математичній моделі (16), всі початкові умови процесу гальмування для різних механічних характеристик однакові. В результаті моделювання процесу гальмування мостового крана отримані залежності перехідного процесу, зображені на рис. 9.

Аналіз отриманих залежностей (рис. 8-9) показує, що в результаті гальмування крана за різних механічних характеристик процес гальмування механізму пересування, обладнаного гальмовим пристроєм із самопідсиленням, є переважаючим, оскільки за такого характеру гальмування реалізуються мінімальні значення горизонтального інерційного навантаження на металоконструкцію та навантаження в приводі механізму пересування (Pмmax=16,21 кН, Pпmax=13,46 кН). Найбільш близьке, з погляду мінімальних динамічних навантажень, ступеневе гальмування (Pмmax=15,34 кН, Pпmax=20,01 кН), за якого зменшується максимальна амплітуда відхилення вантажу від вертикалі після зупинки крана, проте слід зазначити, що значно збільшується величина максимального навантаження в приводі механізму пересування та час гальмування крана відповідно - на 48% та 10%. Відзначимо, що для реалізації ступеневого гальмування потрібні значні матеріальні витрати. Якщо порівнювати з гальмуванням, що реалізується стандартними колодковими гальмами, то величина максимального горизонтального інерційного навантаження на металоконструкцію Pмmax=23,34 кН та величина максимального навантаження в приводі механізму пересування Pпmax=21,65 кН, значно нижча, в середньому на 30% та 37% з незначним збільшенням часу гальмування на 1%, що характеризує ефективність роботи привода з гальмовим пристроєм із самопідсиленням в процесі гальмування мостового крана.

У четвертому розділі наведено результати розробки і створення вимірювально-діагностичного модуля для персональної електронно-обчислювальної машини (ПЕОМ) з використанням аналого-цифрового перетворювача і розробка програмного забезпечення для діагностики і випробування гальмових пристроїв транспортних машин.

На основі аналізу досліджень, спільно з компанією "Акон" на базі електронної плати wad-adc16-32 розроблено і виготовлено вимірювально-діагностичний модуль (ВДМ) і програмне забезпечення, яке дозволяє проводити вимірювання різними типами датчиків статичних і динамічних навантажень, температури процесів, спільно з вимірювальною апаратурою ВИ-6 вібраційних процесів, здійснювати автоматичне управління процесами за допомогою цифро-аналогового перетворювача.

Використання ВДМ з програмним забезпеченням дозволяє скоротити час проведення експериментальних досліджень в середньому на 30%, здійснювати швидку і якісну діагностику гальмових пристроїв вантажопідйомних машин, зменшити обсяг і трудомісткість подальшої обробки отриманих даних, зокрема за допомогою ПЕОМ.

У п'ятому розділі наведено результати експериментальних опрацьовувань експлуатаційних характеристик і ефективності застосування автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням. Встановлено адекватність теоретичних досліджень. Представлено об'єкти випробувань і метод проведення експериментів. Розглянуто вимірювальне устаткування, застосовуване при експериментальних дослідженнях. Вивчено вплив параметрів регулювання гальма на його характеристики. Виконано дослідження вихідних параметрів нової конструкції автоматичного гальмового пристрою нормально закритого типу із самопідсиленням від режимів гальмування механізму і порівняльний аналіз процесу гальмування різними типами гальм. Розглянуто економічне обґрунтування застосування гальмових пристроїв із самопідсиленням при модернізації механізмів пересування мостових кранів.

Оскільки великий обсяг досліджень проводився теоретично з використанням ПЕОМ, то для підтвердження правильності теоретично отриманих характеристик гальмового пристрою було проведено експериментальні дослідження дослідного зразка гальма вантажопіднімального механізму із самопідсиленням із встановленою геометрією напрямних пазів. Як об'єкт дослідження прийнято гальмовий пристрій із самопідсиленням з діаметром шківа 200 мм, що відповідає найбільш поширеним типорозмірам.

Випробування гальмових пристроїв проводилися на інерційному стенді з використанням ВДМ і відповідного програмного забезпечення. Стенд дозволяє акумулювати кінетичну енергію за допомогою обертових дисків. При проведенні випробувань реєструвалися: час спрацювання гальма; кут нахилу важелів гальма; час зростання гальмівного моменту; гальмівний момент, що створюється гальмовим пристроєм; температура фрикційних обкладок гальмових колодок; частота обертання гальмівного шківа; час гальмування.

Дослідження проводилися при важкому режимі роботи гальма, початкові умови його регулювання відповідали значенням, використовуваним при теоретичному розрахунку, зокрема величина замикаючої пружини гальма була встановлена в межах Lп=182 мм, що відповідає гальмівному моменту МГ=240 Н·м, решта параметрів і розмірів відповідала стандартним настройкам гальма ТКГ-200.

Гальмівний момент є основним параметром процесу гальмування, внаслідок цього його залежність від часу представлена у виді полів ймовірних значень, показаних на рис. 10, вони включають між верхніми і нижніми граничними кривими 99,8% фактичних даних за наслідками випробувань. При цьому залежності середніх значень прийняті як апроксимація:

. (18)

При перевірці адекватності експериментально отриманої моделі гальмівного моменту (18) за F-критерієм Фішера одержано значення , що менше від табличного при п'яти відсотковому рівні значущості і відповідних ступенів вільності , отже, модель адекватна.

Аналіз теоретичних розрахунків і отриманих результатів експериментальних досліджень показує, що теоретична залежність перебуває в довірчому інтервалі і максимальна розбіжність між теоретичними і експериментальними даними не перевищує 13%, що підтверджує адекватність процесу гальмування, а також теоретичних розрахунків геометричних параметрів напрямних пазів гальмового пристрою із самопідсиленням.

При експериментальних дослідженнях встановлено вплив вихідних параметри гальмового пристрою із самопідсиленням на процес гальмування (рис. 11) і отримано рівняння регресії гальмівного моменту, що дозволяє визначати його величину:

. (19)

Значущість коефіцієнтів рівняння регресії (19) перевірялася за t-критерієм Стьюдента, а адекватність - за F-критерієм Фішера, набуте значення менше табличного при п'яти відсотковому рівні значущості і відповідних ступенях вільності ().

При порівняльному аналізі процесів гальмування на інерційному стенді різними типами гальмових пристроїв встановлено, що у гальмового пристрою із самопідсиленням коефіцієнт стабільності гальмівного моменту і коефіцієнт ефективності гальмування вище відповідно на 21% і 19%, коефіцієнт коливання гальмівного моменту нижче на 27%, а зведена ефективність гальма вище в два рази порівняно із стандартним гальмовим пристроєм ТКГ-200.

Розрахунок економічної ефективності застосування гальмових пристроїв із самопідсиленням у механізмах пересування мостового вантажопіднімального крана 15/3 тонни (прольотом 26 м) показав, що завдяки зменшенню величини горизонтального інерційного навантаження на металоконструкцію збільшується термін її експлуатації в середньому на 1,7 року. Показник загальної ефективності капітальних вкладень при модернізації одного мостового крана становив близько двох гривень на одну вкладену гривню, що підтверджує доцільність застосування автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання щодо поліпшення динамічних характеристик мостових кранів шляхом застосування гальмових пристроїв із самопідсиленням.

1. На основі теорії розрахунку автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв розроблено модель процесу гальмування механізму гальмовим пристроєм із самопідсиленням і методику розрахунку його геометричних параметрів, що дозволяє за заданими умовами процесу гальмування визначати геометричну форму напрямних пазів, по яких здійснюється рух гальмових колодок.

2. Отримано рівняння регресії з урахуванням багатофакторних досліджень і розрахунку динаміки мостових кранів, що базуються на детермінованому підході до динаміки і математичної теорії планування багатофакторних експериментів, що дозволяє в заданому інтервалі визначати якість перехідного процесу гальмування і раціональні гальмівні характеристики механізмів пересування мостового крана, обладнаного гальмовими пристроями із самопідсиленням.

3. Встановлено, що шляхом формування раціональних гальмових характеристик приводів пересування крана з гальмовими пристроями із самопідсиленням знижуються горизонтальні інерційні навантаження, що виникають у металоконструкції крана при гальмуванні, та максимальні навантаження в приводі механізму пересування в середньому на 30% та 37% з незначним збільшенням часу гальмування на 1% порівняно з гальмуванням, що реалізується колодковими гальмами.

4. Експериментально доведено адекватність процесу гальмування при застосуванні методики визначення геометричних параметрів напрямних пазів автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням. Розбіжність між теоретичними і експериментальними значеннями не перевищує 13%.

5. Запропонована математична модель гальмівного моменту гальмового пристрою із самопідсиленням з діаметром шківа 200 мм яка дозволяє визначати його величину у всьому діапазоні його зміни і виконувати оцінку впливу параметрів гальмування на процес гальмування.

6. Встановлено, що у гальмового пристрою із самопідсиленням коефіцієнт стабільності гальмівного моменту і коефіцієнт ефективності гальмування вище відповідно на 21% і 19%, коефіцієнт коливання гальмівного моменту нижче на 27%, а зведена ефективність гальма вище в два рази порівняно із стандартним гальмовим пристроєм ТКГ-200.

7. Розрахунок економічної ефективності застосування гальмових пристроїв із самопідсиленням в механізмах пересування мостового крана показав, що унаслідок зменшення горизонтального інерційного навантаження, що виникає у металоконструкції крана при гальмуванні, збільшується термін її експлуатації в середньому на 1,7 року. Показник загальної ефективності капітальних вкладень при модернізації одного мостового крана становить близько двох гривень на одну вкладену гривню, що підтверджує доцільність застосування автоматичних нормально закритих гальмових пристроїв із самопідсиленням.

8. Основні рекомендації і технічні рішення, запропоновані в роботі, упроваджені і використовуються в навчальному процесі Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, в практиці випробувань експертно-діагностичної науково-дослідної лабораторії вантажопіднімальних машин СНУ ім. В. Даля, а також в практиці експлуатації мостових кранів ХК "Луганськтепловоз".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Хухлей К.С. Тормоза с плавающими колодками для грузоподъёмных и транспортных машин // Вестник Восточноукраинского государственного университета. Сер. Транспорт. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1996. - С. 14-18.

2. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Белоус В.В. К вопросу исследования тормозных устройств с колодками плавающего типа // Збірник наукових праць Східноукраїнського державного університету: Транспорт. - Луганськ: Вид-во СУДУ, 1998. - С. 73-80.

3. Шевченко С.И., Старченко В.Н., Белоус В.В. О возможности применения аналого-цифровых преобразователей при экспериментальных исследованиях // Вісник Східноукраїнського державного університету. - №6(28). - 2000. - Луганськ: Вид-во СУДУ, 2000. - С. 36-40.

4. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Полупан Е.В. Анализ кинематической схемы тормозного устройства для транспортных машин с дополнительной степенью подвижности тормозных колодок // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Технічні науки 1. - №6(52) 2002. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2002. - С. 132-135.

5. Старченко В.Н., Полупан Е.В., Шевченко С.И., Бондаренко А.Ф. Влияние дополнительной степени подвижности тормозной колодки на процесс торможения ГПМ // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Технічні науки 1. - № 10 (56) 2002. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2002. - С. 243-246.

6. Шевченко С.И. Методика расчета тормозных устройств с самоусилением. // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля №9(67) 2003. Технічні науки. Серія Транспорт 1. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2003. - С. 148-152.

7. Старченко В.Н., Полупан Е.В., Шевченко С.И. Повышение эффективности торможения использованием новых углерод-композиционных материалов // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля №7(77) 2004. Частина 1. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2004. - С. 137-142.

8. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Полупан Е.В. Исследование влияния характера нарастания тормозного момента на динамические нагрузки механизмов машин // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля №7(77) 2004. Частина 2. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2004. - С. 48-52.

9. Шевченко С.И. Определение динамических нагрузок при параболическом характере нарастания тормозного момента // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля №7(101) 2006. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2006. - С. 36-39.

10. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Кобзева Л.И., Мушкаев Я.В., Игнатьев О.Л. Повышение эффективности работы мостового крана в процессе торможения // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля №5(123) 2008. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2008. - С. 112-117.

11. Старченко В.Н., Полупан Е.В., Шевченко С.И. Влияние фрикционных характеристик С-С композитов на динамику работы подъёмно-транспортных машин // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля №7(125) 2008. Частина 2. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2008. - С. 57-60.

12. Шевченко С.И. Снижение динамических нагрузок кранов мостового типа путем применения тормозных устройств с самоусилением // Науково-технічний та виробничий журнал "Підйомно-транспортна техніка" №4 2008. - Дніпропетровськ: Вид-во ДІІТ, 2008. - С. 38-46.

13. Колодкове гальмо: Деклараційний патент на винахід. 63111. Україна. МПК В66D5/08, F16D49/16 /Старченко В.М., Шевченко С.І., Полупан Є.В. (UA) - №20021210664; Заявл. 27.12.2002; Опубл. 15.01.2004, Бюл. №1, - 2с.

14. Колодкове гальмо: Деклараційний патент на винахід. 67232. Україна. МПК В66D5/08, F16D49/16 / Шевченко С.І., Полупан Є.В. (UA) - №2003087572; Заявл. 11.08.2003; Опубл. 15.06.2004, Бюл. №6, - 2 с.

15. Гальмо вантажопідйомного механізму: Патент на корисну модель. 25150. Україна. МПК B66D 5/00/ Шевченко С.І. (UA) - № u200703427; Заявл. 29.03.2007; Опубл. 25.07.2007; Бюл. №11. - 2 с.

АНОТАЦІЯ

Шевченко С.І. Поліпшення динамічних характеристик мостових кранів застосуванням гальмових пристроїв із самопідсиленням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05. - Піднімально-транспортні машини. - Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, 2010 р.

У дисертаційній роботі наведено результати теоретичного вирішення науково-технічного завдання зниження динамічних навантажень мостових кранів застосуванням гальмових пристроїв із самопідсиленням шляхом формування в механізмах пересування раціональних гальмових характеристик. У цьому зв'язку розроблена модель процесу гальмування механізму гальмовим пристроєм із самопідсиленням, що дозволяє за заданими вхідними характеристиками гальмівного моменту визначати геометричні параметри гальмового пристрою, спроможного їх забезпечити. Адекватність моделі та результатів теоретичних розрахунків підтверджується експериментальними дослідженнями.

На основі чотиримасової математичної моделі мостового крана визначено раціональні гальмівні характеристики механізму пересування, обладнаного гальмовим пристроєм із самопідсиленням.

Ключові слова: мостовий кран, механізм пересування, динамічні навантаження, процес гальмування, гальмовий пристрій із самопідсиленням, гальмівний момент.

пристрій гальмовий кран мостовий

АННОТАЦИЯ

Шевченко С.И. Улучшение динамических характеристик мостовых кранов применением тормозных устройств с самоусилением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05. - Подъемно-транспортные машины. - Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, 2010 г.

В диссертационной работе приведены результаты теоретического решения научно-технической задачи снижения динамических нагрузок мостовых кранов применением тормозных устройств с самоусилением путем формирования в механизмах передвижения рациональных тормозных характеристик. В этой связи разработана модель процесса торможения механизма тормозным устройством с самоусилением, позволяющая по заданным входным характеристикам тормозного момента определять геометрические параметры тормозного устройства, способные их обеспечить. Адекватность модели и результатов теоретических расчетов подтверждается экспериментальными исследованиями.

С учетом многофакторных исследований и расчета динамики мостовых кранов, базирующихся на детерминированном подходе к динамике и математической теории планирования многофакторных экспериментов получено уравнение регрессии, позволяющее в заданном интервале определять "качество" переходного процесса торможения и рациональные тормозные характеристики механизмов передвижения мостового крана, оборудованного тормозными устройствами с самоусилением.

На основе экспериментальных исследований выполнена оценка влияния параметров торможения тормозного устройства с самоусилением с диаметром шкива 200 мм на процесс торможения и получена математическая модель тормозного момента в виде полинома второй степени, позволяющая определять его величину во всем диапазоне его изменения. Также установлено, что у тормозного устройства с самоусилением коэффициент стабильности тормозного момента и коэффициент эффективности торможения выше соответственно на 21% и 19%, коэффициент колебания тормозного момента ниже на 27%, а приведенная эффективность тормоза выше в два раза в сравнении со стандартным широко применяемым в механизмах передвижения тормозным устройством ТКГ-200.

Основные рекомендации и технические решения, предложенные в работе, внедрены и используются в учебном процессе Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля, в практике испытаний экспертно-диагностической научно-исследовательской лаборатории грузоподъемных машин ВНУ им. В. Даля, а также в практике эксплуатации мостовых кранов холдинговой компании "Лугансктепловоз".

Ключевые слова: мостовой кран, механизм передвижения, динамические нагрузки, процесс торможения, тормозное устройство с самоусилением, тормозной момент.

THE SUMMARY

Shevchenko S.I. Improvement of bridge cranes dynamic characteristics by application of brake devices with self-strengthening. - The manuscript.

The dissertation on competition of а scientific degree of the candidate of engineering science on а speciality 05.05.05. - Rising-transport machines. - The Ukrainian engineering-pedagogical academy, Kharkov, 2010.

In dissertational work the results of theoretical decision of а scientific and technical problem of decrease in bridge cranes dynamic loadings, by application of brake devices with self-strengthening, by formation of rational brake characteristics in mechanisms of movement are listed. In this connection the mathematical model of mechanism braking process is developed by the brake device with self-strengthening, allowing on the set entrance characteristics of brake moment to define geometrical parameters of the brake device capable to provide them.

Adequacy of the model and the results of theoretical calculations are proved by the experimental researches.

Keywords: the bridge crane, the mechanism of movement, dynamic loadings, process of braking, the brake device, the brake moment.

Размещено на Allbest.ru

...