Моделирование факторов нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Моделирование факторов нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов

И.А. Лагерев

Предложена методика моделирования факторов нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов, базирующаяся на достоверном учете условий его работы и особенностей производственного процесса. Показано применение методики при выполнении численного моделирования нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора, обслуживающего строительство магистрального нефтепровода.

Ключевые слова: кран-манипулятор, машина для сварки трубопроводов, факторы нагруженности, численное моделирование, условия эксплуатации.

Объектом исследования является трехзвенный гидравлический кран-манипулятор машины для сварки трубопроводов.

При проектировании стандартные инженерные решения обеспечивают требуемую прочность и долговечность конструкции. Для кранов-манипуляторов режима работы ниже А6-А7, изготовленных из сталей с пределом текучести ниже 600 МПа, эти решения гарантируют необходимый запас прочности [1].

Грузоподъемность эксплуатируемых кранов-манипуляторов увеличивается за счет установки на исходной металлоконструкции с помощью сварных соединений дополнительных стальных элементов [2]. Зоны этих сварных соединений являются концентраторами напряжений и снижают сопротивление усталости конструкции. Кроме того, обеспечение высокого качества дополнительных сварных швов является сложной задачей. В связи с этим требуется детальная оценка усталостной долговечности модернизированной конструкции. Такая оценка невозможна без определения факторов нагруженности, влияющих на параметры процессов изменения напряжений в опасных зонах.

В статье предложена методика моделирования факторов нагруженности трехзвенного гидравлического крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов. Работа является продолжением научных исследований [3; 4].

Нагруженность металлоконструкции крана-манипулятора определяется различными факторами, из которых к главным относятся:

масса поднимаемых грузов;

число транспортируемых грузов за исследуемый период времени;

последовательность выполнения краном-манипулятором технологических операций;

конфигурация элементов крана-манипулятора в точках подъема и опускания груза;

конфигурация элементов крана-манипулятора при перемещении груза;

уклоны опорной поверхности под машиной для сварки трубопроводов;

микропрофиль опорной поверхности под машиной для сварки трубопроводов;

величина перемещения машины для сварки трубопроводов;

скорость движения машины для сварки трубопроводов;

скорости работы гидроцилиндров;

скорость и направление ветра.

Масса поднимаемого груза является наиболее существенным фактором нагруженности, во многом определяющим величины напряжений и деформаций в различных элементах металлоконструкции крана-манипулятора. Кран-манипулятор транспортирует палатку сварщика, поэтому массу груза можно принять постоянной.

Число транспортируемых грузов за исследуемый период времени определяет действительный класс использования грузоподъемной машины в целом согласно ИСО 4301/1-86. Число транспортируемых грузов определяется скоростью сварки элементов трубопровода (труб, задвижек, клапанов и т.д.).

Конфигурация элементов крана-манипулятора (рис. 1) определяется следующими параметрами (рис. 2): углом поворота поворотной колонны , углом наклона стрелы по отношению к поворотной колонне , углом наклона рукояти по отношению к стреле . Углы и отсчитываются от крайних нижних положений стрелы и рукояти. Угол отсчитывается от продольной оси машины. Конфигурация крана-манипулятора определяет инерционные характеристики системы и влияет на действительные скорости работы гидроцилиндров.

кран манипулятор сварка нагруженность

Уклоны опорной поверхности вызывают появление дополнительных усилий, действующих на металлоконструкцию крана-манипулятора. Кроме этого, уклоны влияют на устойчивость крана-манипулятора от опрокидывания. В работе рассматриваются продольный и поперечный уклоны опорной поверхности.

Микропрофиль опорной поверхности определяет характер динамического процесса при перемещении машины для сварки трубопроводов. Исходные данные о параметрах микропрофиля для покрытий различных типов получены экспериментальным путем и представлены в виде статистических характеристик (математических ожиданий, дисперсий, корреляционных функций, спектральных плотностей). Суть моделирования микропрофиля заключается в построении по этим данным конкретных реализаций геометрической неровности. При этом учитывается скорость движения машины для сварки трубопроводов.

Величины перемещений оборудованной краном-манипулятором машины определяют продолжительность динамических процессов, связанных с переносом палатки сварщика от одного сварного стыка к другому. Величины перемещений зависят от конфигурации прокладываемого трубопровода и геометрических размеров его элементов. Размеры таких элементов стандартизированы.

Угол , определяющий направление ветра по отношению к машине для сварки трубопроводов, отсчитывается от ее продольной оси против часовой стрелки. Зная конфигурацию стрелы, можно определить направление ветра по отношению к элементам конструкции крана-манипулятора. Ветровые нагрузки зависят от скорости ветра.

В инженерной практике при проектировании кранов-манипуляторов нагруженность учитывается весьма приближенно. Условия нагружения конструкций и их механизмов в процессе эксплуатации учитываются группами режимов работы. Режим работы крана в целом определяется классом нагружения и классом использования. Для каждой группы режимов известны типовые данные о факторах нагруженности [1]. Существует несколько вариантов компактного представления параметров распределения факторов нагруженности [3]: блок распределения; набор частот распределения; смешанное блочно-частотное распределение.

Наиболее простой способ моделирования факторов нагруженности крана-манипулятора, обслуживающего строительство трубопровода, - моделирование методом статистических испытаний.

Рассмотрим процесс получения последовательностей значений факторов нагруженности методом статистических испытаний для случая использования блоков распределения. Далее под понимается любой из рассматриваемых факторов нагруженности. Переход к -му уровню фактора в -м вычислительном опыте осуществляется согласно условным вероятностям перехода . Эти вероятности вычисляются после каждого вычислительного опыта.

В -м вычислительном опыте номер уровня фактора определяется следующим образом:

(1)

где - результат, полученный в -м вычислительном опыте; ; ;

- случайное число, равномерно распределенное на интервале [0; 1] (получается с помощью встроенного в язык программирования генератора случайных чисел); - число уровней фактора (число ступеней в блоке распределения); - число вычислительных опытов, равное числу циклов работы крана-манипулятора за исследуемый период .

Вероятности перехода вычисляются следующим образом. Пусть в ходе моделирования после вычислительных опытов получено значений фактора , лежащих в -м диапазоне. Тогда вероятность перехода в s-м вычислительном опыте к значению, лежащему на-м уровне, определяется по зависимости

,

где - относительная частота -й ступени блока распределения фактора.

Если требуется определить точное значение фактора, то оно вычисляется пропорционально по следующей формуле:

, (2)

где - значение фактора, полученное в -м вычислительном опыте; - амплитуда -й ступени блока распределения фактора.

Для набора частот распределения моделирование выполняется по указанному алгоритму, однако в этом случае следует ограничиться только вычислением номера уровня фактора . Для смешанного блочно-частотного распределения одна часть значений вычисляется с использованием выражений (1) и (2), другая часть - с использованием только выражения (1).

После окончания процесса моделирования оказывается сформированной последовательность из значений фактора . Нагруженность крана-манипулятора в пределах одного цикла работы определяется совокупностью значений всех рассматриваемых факторов.

Для оценки результатов моделирования с использованием данного алгоритма выполнена серия расчетов для тестовых блоков различной полноты. Полнота блока вычисляется как

.

Тестовые блоки приведены в табл. 1, результаты моделирования - в табл. 2.

Таблица 1

Тестовые блоки распределения

Таблица 2

Результаты моделирования методом статистических испытаний

Таким образом, при моделировании факторов нагруженности методом статистических испытаний полученные c использованием зависимостей (1) и (2) значения факторов нагруженности соответствуют исходным блокам распределения. Если использовать стандартный алгоритм, то погрешность при моделировании в зависимости от полноты блока составляет 5…30%. При этом чем ближе полнота к 0,625, тем меньше погрешность моделирования.

Рассмотренный алгоритм применим только при наличии большого количества эмпирических данных, на основании которых можно построить законы распределения факторов нагруженности. При этом для различных условий эксплуатации параметры законов могут отличаться. В настоящее время такая информация о кранах-манипуляторах машин для сварки трубопроводов отсутствует.

При отсутствии достоверных данных о законах распределения факторов нагруженности предлагается строить две взаимосвязанные модели: сетевую имитационную модель (СИМ) и модель трубопровода (МТ).

Модель трубопровода служит для наглядного описания положения отдельных рабочих зон и параметров грузовых операций, выполняемых краном-манипулятором. В конечном счете с помощью этой модели определяются конкретные значения факторов нагруженности. Модель включает в себя описание конфигурации прокладываемого трубопровода, параметров его элементов (труб, задвижек, сварных швов), состояния опорной поверхности на строительной площадке (тип покрытия и уклоны в пределах каждого элемента). Графическое представление модели трубопровода приведено на рис. 3, где показана трасса трубопровода с указанием направления строительства. Окружностями обозначены зоны расположения стыков труб. В этих зонах кран-манипулятор выполняет подъем и опускание палатки сварщика. Кроме того, показаны высотные отметки местности и граница участков опорной поверхности с различным типом микропрофиля.

Рис. 3. Графическое представление модели трубопровода

Сетевая имитационная модель учитывает особенности производственного процесса строительства магистрального трубопровода и используется для определения порядка и моментов времени выполнения краном-манипулятором грузовых операций. Каждому элементу сетевой имитационной модели соответствует один или несколько элементов модели трубопровода. В случае использования при строительстве нескольких машин для сварки трубопроводов одновременно СИМ позволяет учесть распределение грузоподъемных операций между ними.

Значения факторов нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов в определенный момент времени полностью определяются текущим состоянием СИМ. Структура СИМ и общие алгоритмы моделирования подробно изложены в [4; 8].

Разработана компьютерная программа «Манипулятор - СМО». После построения модели трубопровода и сетевой имитационной модели моделируются значения факторов нагруженности металлоконструкции крана-манипулятора. Каждому типу компонента имитационной модели в программе соответствует определенная процедура. Алгоритм численного моделирования предусматривает упорядоченное обращение к этим процедурам, отражающим поведение моделируемой системы.

На рис. 4 показаны СИМ строительства трубопровода с использованием кранов-манипуляторов машин для сварки трубопроводов. Разработаны три модели: для исследования работы одной машины для сварки трубопроводов, работы нескольких машин, при работе различного количества машин и бригад сварщиков.

При работе одной машины (рис. 4 а) СИМ содержит: источник заявок, генерирующий требования на сварку стыков труб и перемещения палатки сварщика в соответствии с МТ; накопитель заявок; устройство, генерирующее время обслуживания стыка (включая перемещения машины для сварки трубопроводов, работу крана-манипулятора, сварку).

а) б)

в)

Рис. 4. СИМ строительства трубопровода:

а - при работе одной машины; б - при работе нескольких машин;

в - при различном количестве машин и бригад сварщиков

При одновременной работе N машин (рис. 4 б) СИМ содержит N параллельных цепей устройств, заявки на которые перераспределяет узел модели. Каждая цепь включает устройство, генерирующее время работы машины и крана-манипулятора, и устройство, генерирующее время сварки стыка. Это связано с тем, что на обслуживание конкретного стыка направляется свободная в данный момент машина.

Пусть количество используемых машин - N, а количество бригад сварщиков - M. Тогда в СИМ добавляются параллельные цепи, связанные с работой машин и сварочных бригад. Управляют передачей заявок на обслуживание стыков машинам и сварочным бригадам дополнительные узлы модели (рис. 4 в).

Применим разработанную методику для исследования нагруженности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов АСТ-4-А производства ЗАО «Дизель-Ремонт», принадлежащей ООО «Спецстрой» (г. Брянск).

Блоки распределения факторов нагруженности для моделирования методом статистических испытаний получены из проектной документации на трубопроводы общей протяженностью 1250 км (уклоны поверхности, величины перемещений машины), инструкции по эксплуатации машины для сварки трубопроводов (скорости работы механизмов, конфигурации стрелы) и открытых источников (скорость и направление ветра, параметры микропрофиля).

При моделировании использованы данные о скорости и направлении ветра [6]. Распределение направления ветра по отношению к крану-манипулятору построено на основе исходного распределения [6] с учетом распределения направления строительства трубопровода, полученного из анализа проектной документации.

Скорости работы гидроцилиндров исследуемой машины считаются постоянными и приведены в [5]. Скорость штока гидроцилиндра подъема рукояти - 0,037 м/с; скорость штока гидроцилиндра подъема стрелы - 0,029 м/с; скорость поворота колонны - 0,2 рад/с. Конфигурация стрелы крана-манипулятора при подъеме, перемещении и опускании груза жестко задана требованиями технологического процесса [5], поэтому эти факторы нагруженности не моделировались.

Исходные данные для моделирования факторов нагруженности методом статистических испытаний приведены ниже.

Распределение массы груза:

Масса груза при работе крана-манипулятора с одной палаткой сварщика постоянна. Однако ниже приведено распределение, в котором отражено применение в строительстве трубопроводов палаток сварщика двух моделей.

Распределение величины перемещения машины для сварки трубопроводов

Распределение величины уклона поверхности:

Распределение направления ветра по отношению к крану-манипулятору

Распределение скорости ветра

Распределение типа микропрофиля поверхности

На основе исходных данных смоделированы значения основных факторов нагруженности крана-манипулятора (листинг 1).

Листинг 1

Результаты моделирования факторов нагруженности

Полученные значения соответствуют исходным законам распределения, однако они не в полной мере соответствуют условиям эксплуатации. Кран-манипулятор работает с одной палаткой сварщика, поэтому масса груза должна быть постоянной. Тип микропрофиля и уклон опорной поверхности от стыка к стыку должны изменяться постепенно, так как связаны с топологией местности.

Поэтому для исследования нагруженности крана-манипулятора применим имитационное моделирование. Результаты моделирования при трех используемых машинах для сварки трубопроводов (рис. 4 б) приведены в листинге 2.

Листинг 2

Результаты моделирования факторов нагруженности

Сравним результаты оценки факторов нагруженности крана-манипулятора по предложенной методике с результатами использования типовых блоков. Для примера по аналитическим зависимостям [2] определим максимальное усилие Pц на гидроцилиндре поворота рукояти крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А производства ЗАО «Дизель-Ремонт», принадлежащей ООО «Спецстрой». Реализации процесса изменения усилия приведены на рис. 5.

Рис. 5. Реализации усилия на гидроцилиндре крана-манипулятора:

1 - с использованием типового блока для группы режимов А1-А3;

2 - с использованием типового блока для группы режимов А4-А5;

3 - полученные методом статистических испытаний;

4 - полученные с использованием СИМ

На основе выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. При моделировании факторов нагруженности методом статистических испытаний полученные c использованием зависимостей (1) и (2) значения факторов нагруженности соответствуют исходным блокам распределения. Если использовать традиционный подход, то погрешность при моделировании в зависимости от полноты блока составляет 5…30%, причем чем ближе полнота к 0,625, тем меньше погрешность моделирования.

2. При отсутствии достоверных данных о законах распределения факторов нагруженности следует строить две взаимосвязанные модели: сетевую имитационную модель и модель трубопровода. В противном случае возможно моделирование методом статистических испытаний.

3. Значения факторов нагруженности зависят от особенностей технологического процесса работы крана-манипулятора. В связи с этим требуется моделирование особенностей технологического процесса.

4. При использовании типовых блоков распределения массы груза без учета особенностей технологического процесса работы крана-манипулятора погрешность в определении характеристик нагруженности достигает 70% (рис. 5). При этом характеристики нагруженности занижаются, что снижает реальный запас усталостной долговечности металлоконструкции и отрицательно влияет на безопасность эксплуатации.

Список литературы

Соколов, С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин / С.А.Соколов. - СПб.: Политехника, 2005. - 423 с.

Лагерев, А.В. Модернизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А / А.В. Лагерев, И.А. Лагерев, В.В. Говоров // Вестн. БГТУ. - 2010. - №4. - С. 59-66.

Лагерев, И.А. Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана / И.А. Лагерев // Вестн. БГТУ. - 2009. - №4. - С. 65-70.

Лагерев, И.А. Моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана на основе сетевой имитационной модели / И.А. Лагерев // Вестн. БГТУ. - 2010. - №2. - С. 74-81.

Инструкция по эксплуатации самоходной энергетической машины АСТ-4-А. - Брянск, 2010. - 26 с.

Скорость ветра - сводные данные - Брянск. - Режим доступа: http://bryansk-meteo.ru/brjansk/pivot/wind.

Тарасик, В.П. Теория движения автомобиля / В.П. Тарасик. - СПб.: БВХ-Петербург, 2006. - 478 с.

Норенков, И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии / И.П. Норенков, П.К. Кузьмик. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru