Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана

Размещено на http://allbest.ru

9

УДК 621.86

Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана

И.А. Лагерев

Сегодня в России эксплуатируется более 130 тысяч мостовых кранов различного типа. По данным Ростехнадзора, более 70% из них отработали свой нормативный срок службы и должны регулярно проходить диагностические обследования с целью обеспечения соответствия их технического состояния требованиям безопасности [1; 2]. Для повышения достоверности экспертных оценок необходимо совершенствование методов расчета металлоконструкций мостовых кранов, а также оценки их остаточного ресурса (применительно к кранам мостового типа, отработавшим нормативный срок службы). Для решения этих задач необходима полномасштабная информация об изменении во времени нагруженности диагностируемого мостового крана в целом и его отдельных несущих металлоконструкций, данные об интегральных количественных характеристиках нагруженности с учетом реального технологического графика работы грузоподъемной машины в течение всего предыдущего периода эксплуатации.

Под нагруженностью понимается состояние объекта, вызванное внешними воздействиями и условиями функционирования. Для элементов металлоконструкции крана основными характеристиками нагруженности являются внешние нагрузки или напряжения в опасных зонах. Нагруженность металлоконструкции определяется различными факторами, из которых к главным можно отнести [1; 3 - 5]:

- массу поднимаемых грузов;

- число транспортируемых грузов за исследуемый период времени;

- последовательность выполнения краном технологических операций;

- величины перемещений грузовой тележки и моста крана, определяющиеся расстояниями вдоль осей координат между точками подъема и опускания груза.

На практике для характеристики нагруженности металлоконструкции применяется типовой блок нагружения известного режима работы, отражающий случайное распределение только одного фактора нагруженности - массы поднимаемого груза [1]. Применение такого подхода при расчетах металлоконструкции крана на сопротивление усталости не позволяет учесть влияние реальной истории нагружения на процесс накопления повреждений, а при расчетах живучести за рамками рассмотрения остаются многие особенности роста усталостных трещин.

В данной статье представлена методика имитационного моделирования технологического процесса подъема и перемещения грузов в течение длительного интервала времени с учетом расположения основного и вспомогательного технологического оборудования в пределах конкретного производственного участка или цеха. Целью моделирования является оценка влияния параметров технологического процесса работы обследуемого мостового крана на основные факторы нагруженности его металлоконструкции.

Объектом исследования является мостовой кран, работающий на определенном производственном участке - в цеху, отдельном пролете или части пролета цеха (рис. 1).

Рис. 1. Модель производственного участка, обслуживаемого краном

По ширине участок ограничен двумя крайними положениями грузовой тележки, по длине - крайними положениями моста крана в процессе работы.

На производственном участке, как правило, расположено достаточное количество различных рабочих зон, поочередно обслуживаемых краном: обрабатывающие станки и другое основное технологическое оборудование, места загрузки и разгрузки внутрицехового и внутризаводского транспорта, площадки для хранения материалов и отходов, складские зоны и др. Кран перемещает грузы между отдельными рабочими зонами согласно требованиям производственного процесса (по мере обработки грузов), вследствие чего последовательность действий крана во времени не может иметь строгую периодичность и носит случайный характер. Сами перемещаемые грузы обладают различной массой вследствие наличия для каждого производственного участка определенной номенклатуры отдельно обрабатываемых деталей и узлов, а также проведения сборочных операций.

На основании анализа взаимосвязей между различными объектами рассматриваемой модели (рис. 1) вычисляются параметры, выражающие распределение факторов нагруженности. Исходя из особенностей производства, можно выделить несколько вариантов представления параметров распределения (рис. 2).

а) б) в)

Рис. 2. Варианты описания параметров:

а - блок распределения; б - частоты повторения конкретного значения; в - смешанный подход

мостовой грузоподъемный кран металлоконструкци

Если кран работает с различными грузами, масса которых варьируется в широком диапазоне, то строится блок распределения массы поднимаемого груза (рис. 2 а). В случае малого числа транспортируемых объектов и при отсутствии четкого распределения операций определяется частота повторения конкретных значений массы груза (рис. 2 б). Оба подхода могут комбинироваться (рис. 2 в). Алгоритм построения блока распределения массы груза представлен в [1; 5].

Рассмотрим методику построения блоков распределения положения тележки и моста крана. В [5] предлагается определять частоту следующим образом. Пусть - координата, характеризующая положение тележки или моста, при этом . Диапазон изменения делится на частей. При этом -я ступень блока соответствует -й части (). Построение блока ограничено определением частоты нахождения грузовой тележки или моста в каждой части отрезка по формуле

, (1)

где - число различных грузов; - количество грузов, перенесенных краном через -ю часть отрезка; - общее количество грузов.

Такой подход имеет существенный недостаток: при его использовании не определяются положения тележки или моста крана при подъеме и опускании груза. В процессе моделирования это приводит к тому, что получаемые значения координат точек подъема или опускания груза не соответствуют расположению рабочих зон.

Целесообразно строить индивидуальные блоки, определяющие положение тележки или моста отдельно при подъеме и опускании груза. В этом случае в формуле (1) под понимается количество грузов, поднятых или опущенных в точке, принадлежащей -й части диапазона изменения . В реальных условиях наблюдается корреляционная взаимосвязь положений тележки или моста крана и массы груза.

Так, работы с небольшими грузами малой массы могут проводиться в пределах всего цеха, а операции с тяжелыми и крупногабаритными грузами не могут выполняться вблизи стен производственного помещения. Поэтому для каждого интервала значений массы груза строятся свои блоки, определяющие длины перемещений.

Общее количество грузов и количество обработанных грузов определяются на основе анализа производственно-технологической документации: архивных документов о динамике выпуска продукции предприятием, сборочных чертежей всей номенклатуры выпускаемых изделий и узлов, технологических карт подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ.

На основе данных распределения факторов нагруженности проводится их имитационное моделирование. Структурная схема процесса моделирования показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема процесса имитационного моделирования

Рассмотрим процесс получения последовательностей значений факторов нагруженности для случая использования блоков распределения, построенных на основе анализа модели обслуживаемого краном участка.

Далее под понимается любой из рассматриваемых факторов нагруженности (масса груза, положение грузовой тележки, положение моста крана).

Переход к -му уровню фактора в -м вычислительном опыте осуществляется согласно условным вероятностям перехода . Эти вероятности вычисляются после каждого вычислительного опыта.

При этом в -м вычислительном опыте номер уровня фактора определяется следующим образом:

(2)

где - результат, полученный в -м вычислительном опыте; ; ; - случайное число, равномерно распределенное на интервале [0; 1]; - число уровней фактора (число ступеней в блоке распределения); - число вычислительных опытов, равное числу циклов работы крана 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:

, (3)

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

Для случая, представленного на рис. 2 б, моделирование выполняется по указанному алгоритму.

Однако в этом случае следует ограничиться только вычислением номера уровня фактора . Для варианта, показанного на рис. 2 в, одна часть значений вычисляется с использованием выражений (2) и (3), другая часть - с использованием только выражения (2).

После окончания процесса моделирования оказывается сформированной последовательность из значений фактора . Однако нагруженность металлоконструкции мостового крана в пределах одного цикла работы определяется совокупностью значений всех перечисленных факторов. Рассмотрим порядок генерации совокупностей значений. В каждом вычислительном опыте сначала моделируется значение массы груза, которая является независимой случайной величиной.

Далее согласно полученному значению массы выбирается требуемый блок распределения положения грузовой тележки. С использованием этого блока моделируются координаты положения грузовой тележки при подъеме и опускании груза. Аналогично моделируются положения моста крана.

Таким образом, положения грузовой тележки и моста крана являются зависимыми от массы груза случайными величинами.

Построение имитационной модели подразумевает применение компьютерной программы, с помощью которой моделируется поведение исследуемого объекта. Для исследования процесса подъема и перемещения грузов была разработана компьютерная программа «Технологический процесс». Главное окно программы приведено на рис. 4. После построения модели обслуживаемого краном участка моделируются факторы нагруженности согласно схеме (рис. 3).

Рис. 4. Главное окно программы «Технологический процесс»

На основе разработанной методики с использованием разработанной программы проведено имитационное моделирование параметров нагруженности металлоконструкций действующих мостовых кранов.

Была исследована работа мостового крана грузоподъемностью 10 т, установленного в заготовительном цехе машиностроительного завода. На основе полученных блоков распределения массы груза и других параметров (табл. 1, 2) смоделированы значения основных факторов нагруженности (листинг). Распределение массы грузов:

Таблица 1

Вероятность расположения грузовой тележки по зонам

Таблица 2

Вероятность расположения моста крана по зонам

Листинг

Результаты моделирования факторов нагруженности

Полученные значения соответствуют блокам распределения. Если использовать не выражения (2) и (3), а предлагаемый в [6] подход, то в этом случае число полученных результатов по каждому уровню не соответствует исходному блоку распределения фактора нагруженности. В зависимости от полноты блока погрешность моделирования для различных ступеней составляет 5…30%.

Список литературы

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

2. Доронин, С.В. Моделирование прочности и разрушения несущих конструкций технических систем / С.В. Доронин, А.М. Лепехин, В.В. Москвичев, Ю.И. Шокин. - Новосибирск: Наука, 2005. - 250 с.

3. Лобов, Н.А. Динамика передвижения кранов по рельсовому пути / Н.А.Лобов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 232 с.

4. Лагерев, И.А. Методика моделирования эксплуатационной нагруженности металлоконструкции мостового крана / И.А.Лагерев // Наука и производство-2009: материалы Междунар. науч.-практ. конф. : в 2 ч. / под ред. С.П. Сазонова, П.В. Новикова. - Брянск: БГТУ, 2009. - Ч. 1. - С. 312-314.

5. Блинов, Л.П. Моделирование переменных напряжений в металлоконструкции мостового крана от перемещения тележки / Л.П.Блинов, А.П.Шлюшенков // Вопросы исследования динамики и надежности элементов подвижного состава и транспортных машин / под ред. Б.Г.Кеглина. - Брянск: БИТМ, 1988. - С. 69-74.

6. Шлюшенков, А.П. Нагруженность и расчеты деталей машин и элементов конструкций на прочность и долговечность / А.П. Шлюшенков. ? Брянск: БИТМ, 1991. ? 156 с.

Аннотация

УДК 621.86

Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана. И.А. Лагерев

Предложена методика имитационного моделирования основных факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана общего назначения, основанная на достоверном учете условий и режимов его работы. Показано применение методики при выполнении численного моделирования нагруженности металлоконструкций ряда натурных мостовых кранов.

Ключевые слова: мостовой кран, нагруженность, факторы нагруженности, имитационное моделирование, компьютерное моделирование.

Размещено на Allbest.ru