Підвищення техніко-експлуатаційних показників стрілових самохідних кранів застосуванням гідравлічних гасителів коливань

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Українська інженерно-педагогічна академія

УДК 621.874-531.7

Спеціальність 05.05.05 - піднімально-транспортні машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ПОКАЗНИКІВ СТРІЛОВИХ САМОХІДНИХ КРАНІВ ЗАСТОСУВАННЯМ ГІДРАВЛІЧНИХ ГАСИТЕЛІВ КОЛИВАНЬ

Подоляк

Олег Степанович

Харків

2010



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі металорізального обладнання і транспортних систем Української інженерно-педагогічної академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Мельниченко Олександр Анатолійович, Українська інженерно-педагогічна академія, професор кафедри металорізального обладнання і транспортних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Будіков Леонід Якович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри підіймально-транспортної техніки.

кандидат технічних наук, професор Колісник Микола Прокопович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри прикладної механіки.

Захист відбудеться 23.12. 2010 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.108.02 в Українській інженерно-педагогічній академії за адресою: 61003, вул. Університетська, 16, м. Харків, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української інженерно-педагогічної академії (вул. Університетська 16, м. Харків).

Автореферат розісланий 23.11.2010 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Фідровська Н.М.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із напрямків забезпечення ефективної і безпечної експлуатації стрілових самохідних кранів (ССК) є підвищення їх продуктивності і строку служби шляхом покращення динамічних характеристик.

Відомо, що головними причинами, які обмежують строк служби вантажопіднімальних кранів, є залишкові деформації і втомлювальні тріщини, які накопичуються і розвиваються в металоконструкції особливо під час перехідних процесів при роботі їх механізмів. Супроводжуються ці процеси різким підвищенням додаткових динамічних навантажень коливального характеру, які необхідно зменшувати до якомога меншої величини.

Одним з напрямків вирішення цієї задачі є динамічне гасіння коливань, суть якого полягає в приєднанні до силових ланцюгів механізмів допоміжних гасителів коливань з метою зниження коливального стану крана. В більшості випадків дослідники розглядають застосування гасителів коливань з позиції поглинання енергії або корекції пружно-інерційних параметрів системи. При цьому не враховується вплив робочих характеристик гасителів коливань на тривалість перехідних процесів. Слід також зазначити, що необґрунтоване розміщення цих пристроїв може не дати бажаного ефекту, а іноді, призвести до збільшення амплітуди динамічних коливань.

Таким чином, ця задача динаміки вантажопіднімальних кранів заслуговує подальшого вирішення, а одним з найбільш актуальних напрямків досліджень є покращення динамічних характеристик ССК. В рамках виконання даної роботи на основі аналізу динамічних процесів стрілових самохідних кранів із електроприводом сконструйоване та використане технічне рішення гідравлічного гасителя, в якому забезпечується змінний рівень дисипації енергії коливань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напрямку досліджень кафедри металорізальне обладнання і транспортні системи Української інженерно-педагогічної академії в рамках держбюджетних тем науково-дослідної роботи 0108U002468 "Підвищення ефективності роботи підіймально-транспортних систем", 0108U002469 "Підвищення ефективності роботи підіймально-транспортних машин".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в підвищенні техніко - експлуатаційних показників стрілових самохідних кранів із електроприводом, а саме їх строку служби на основі аналізу динамічних процесів, конструюванням та використанням нових гідравлічних гасителів коливань, в яких реалізований раціональний закон зміни коефіцієнта демпфування.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

- аналіз динамічних характеристик ССК та встановлення причини відмов, які призводять до досягнення кранами граничного стану, аналіз методів, які запобігають їх появі;

- вивчення перспективних конструктивних рішень гасителів коливань, направлених на зменшення динамічних навантажень ССК;

- розробка еквівалентної схеми та математичної моделі, яка описує взаємний рух елементів стрілової системи з урахуванням робочої характеристики гасителя коливань, вивчення закономірностей взаємодії гасителів коливань з елементами стрілової системи;

- вибір раціональних параметрів та розробка технічного рішення гідравлічного гасителя коливань;

- розробка експериментальної фізичної моделі ССК з гасителями коливань в стріловій системі;

- планування і проведення експериментальних досліджень на фізичній моделі, перевірка адекватності результатів досліджень.

Об'єктом дослідження є динамічні процеси при виконанні операцій піднімання вантажу стріловим самохідним краном із електроприводом.

Предметом дослідження є динамічні характеристики ССК та закономірності впливу робочої характеристики і розміщення в стріловій системі гідравлічних гасителів коливань на динамічні навантаження крана.

Методи дослідження. У теоретичній частині використовуються числові методи розв'язання диференціальних рівнянь. У експериментальній частині використано методи тензометрії та технічних вимірювань, для обробки результатів досліджень використано методи теорії ймовірності та математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в покращенні динамічних характеристик стрілових самохідних кранів із електроприводом шляхом виявлення закономірностей функціонування елементів стрілової системи з гідравлічним гасителем коливань, в якому розсіяння енергії коливань має змінний характер і залежить від заданого закону зміни сили опору гасителя.

Наукові положення, які виносяться на захист.

1. Ствердження, що використання гідравлічного гасителя коливань в вантажній підвісці дозволяє збільшити строк служби ССК.

2. Еквівалентна схема стрілової системи самохідного крана, до складу якої входить механізм піднімання вантажу і стріла з системою її підвіски. В систему підвіски стріли і вантажу включені гідравлічні гасителі коливань.

3. Математична модель, яка описує сумісний рух елементів стрілової системи з урахуванням поліспастової системи, зведеної сили приводу механізму піднімання та робочих характеристик гасителів коливань.

4. Ствердження, що найбільш ефективним з позиції "якості" перехідних процесів є:

- включення гасителя коливань в силовий ланцюг системи підвіски вантажу;

- застосування гідравлічних гасителів коливань телескопічного типу, в яких сила їх опору змінюється за регресивним законом;

5. Висновок, що вищезгадані гасителі коливань дозволяють збільшити період розгону приводу механізму піднімання до терміну, при якому коефіцієнт динамічності елементів стрілової системи може бути зменшений практично до 1.

6. Отримані залежності, що дозволяють кількісно і якісно оцінити вплив зміни коефіцієнта опору гасителя та терміну розгону приводу на коефіцієнт динаміки стрілової системи, за допомогою яких рекомендовані раціональні параметри гасителя коливань.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Підтверджено причини передчасного виходу з ладу елементів металоконструкції стрілових самохідних кранів.

2. Розроблено рекомендації по зменшенню динамічних навантажень в елементах крана за рахунок включення в силовий ланцюг механізму піднімання і стрілової системи гідравлічних гасителів коливань.

3. Запропоноване конструктивне рішення нового гасителя коливань адаптивного типу.

4. Теоретичні та практичні результати дисертаційних досліджень впроваджені в навчальний процес кафедри металорізального обладнання і транспортних систем Української інженерно-педагогічної академії. Методика розрахунку динамічних навантажень стрілових систем ССК у вигляді програмного забезпечення передана експертно-діагностичній науково-дослідній лабораторії вантажопідйомних машин, та промислових споруд Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля м. Луганськ та АТЗТ "Куряжський домобудівельний комплекс".

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві: оцінено вплив перехідних процесів на умови роботи приводу механізму піднімання [1]; досліджені динамічні навантаження приводу механізму піднімання [2]; досліджено вплив інерційно-пружних параметрів багатомасової механічної системи приводу механізму піднімання на коливальний силовий процес [3]; розроблено динамічну і математичну моделі, що описують сумісний рух елементів стрілової системи з урахуванням гідравлічних гасителів коливань [5]; теоретично обґрунтоване місце встановлення гідравлічного гасителя коливань в стріловій системі крана [7]; перевірено ефективність застосування розробленого гасителя коливань на фізичній моделі крана [8].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, які виносяться на захист доповідались на науково-технічних конференціях, семінарах і радах: "XXXVIII науково-практичній конференції науково-педагогічних працівників, науковців, аспірантів та співробітників академії" м. Харків 2005 р. Міжнародній науково-практичній конференції "Современные направления теоретических и прикладных исследований" м. Одеса 2006, 2008 р. Міжнародному семінарі - симпозіумі "Современная строительная техника" м. Одеса 2008 р. Засіданні секції Науково-методичної ради з машинобудування і металообробки Міністерства освіти і науки України за напрямком "Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини і обладнання, м. Макіївка 2009 р., м. Харків 2009 р. У закінченому вигляді дисертація доповідалася та обговорювалась на засіданні кафедри "Металорізальне обладнання і транспортні системи" УІПА (Харків 2010 р.), на кафедрі "Підіймально-транспортних машин і обладнання" НТУ "ХПІ" (Харків 2010 р.), на кафедрі "Підіймально-транспортна техніка" СНУ ім. Володимира Даля (Луганськ 2010 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 7 статтях, опублікованих в спеціалізованих наукових журналах, затверджених ВАК України, а також в 1 тезі доповідей на науковій конференції, отримано один декларативний патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 4 розділи основної частини, загальні висновки, список використаної літератури і додатки. Повний обсяг дисертації складає 156 сторінок, з них 73 ілюстрацій, 18 таблиць, 5 додатків на 18 сторінках, 133 використаних літературних джерела на 14 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтовано актуальність і новизну теми, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ присвячено стану проблеми, зроблено аналіз парку ССК, класифікацію пошкоджень і виявлення причин їх виникнення, зроблено аналіз попередніх досліджень присвячених динаміці вантажопіднімальних машин.

Зроблений огляд робіт, присвячених динаміці вантажопіднімальних машин таких авторів, як Динник А.Н., Федоров М.М., Голубенцев А.Н., Казак С.А., Шефлер М., Комаров М.С., Лобов М.О. та багатьох інших авторів.

Значний внесок у вирішення питань зменшення динамічних навантажень на елементи вантажопіднімальних машин при перехідних процесах зробили такі вчені як Будіков Л.Я., Ловейкін В.С., Григоров О.В., Нестеров А.П., Колісник М.П., Хмара Л.А. та інші.

З огляду робіт встановлено, що велика кількість досліджень присвячена зменшенню динамічних навантажень кранів мостового типу, стрілові самохідні крани в цьому плані найменш вивчені об'єкти.

Аналіз парку ССК показав, що частка кранів, які відпрацювали свій строк служби в середньому складає 75% від загальної кількості, а основною причиною їх списання є пошкодження від втомленості елементів металоконструкції, що виникають в результаті динамічних навантажень. Також встановлено, що основну частину динамічних навантажень сприймає і розповсюджує стрілова система самохідного крана при операціях піднімання - опускання вантажу, до складу якої відносяться: привод механізму піднімання, система підвіски вантажу та стріла зі стріловою поліспастовою системою.

Аналіз способів зменшення динамічних навантажень показав, що перспективним є включення в силовий ланцюг стрілової системи гідравлічного гасителя коливань. В попередніх дослідженнях гасителі коливань розглядаються з позиції поглинання енергії або корекції пружно-інерційних параметрів системи. При цьому не враховується вплив характеристик гасителів коливань на тривалість перехідних процесів.

Це обумовлює необхідність пошуку закономірностей взаємодії гідравлічних гасителів коливань з елементами металоконструкції і механізму піднімання ССК. З урахуванням проведеного аналізу сформульовані основні завдання дослідження.

Другий розділ присвячений розробці еквівалентної схеми і математичної моделі та дослідженню закономірностей взаємодії гасителя коливань з елементами стрілової системи самохідного крана. Для дослідження динамічних процесів була розроблена тримасова еквівалентна схема, яка дозволяє враховувати особливості конструкції підвіски вантажу і стріли, вплив дисипативних сил і коефіцієнта демпфування гасителя коливань, та зведену силу двигуна (рис. 1).

Еквівалентна схема складається з таких елементів: m_n, m_c, m_в - зведені маси відповідно обертових частин приводу механізму піднімання, стріли, вантажу, кг; с_м - коефіцієнт жорсткості металоконструкції стріли крана, Н/м; с_сп - коефіцієнт жорсткості стрілової підвіски, Н/м; с_к - коефіцієнт жорсткості вантажного каната на ділянці від барабана до підвіски вантажу, Н/м; с_вп - коефіцієнт жорсткості вантажної підвіски, Н/м; k_Dс - коефіцієнт дисипації стріли, Н·с/м; k_Dв - коефіцієнт дисипації вантажних канатів, Н·с/м; ш_с, ш_в - коефіцієнти опору гасителів коливань у стріловій системі і системі підвіски вантажу; Р_dq - зведена сила двигуна, Н; y_n, y_c, y_в - шляхи, пройдені відповідно масами m_n, m_c, m_в від початку координат.

Рис. 1. Еквівалентна схема стрілової системи самохідного крана

При складанні математичної моделі розглянуто процес піднімання вантажу "з підхватом", що включає три етапи: перший - етап холостого ходу, коли маса обертових частин приводу m_п під впливом зведеної до канатів сили двигуна Р_dq вибирає сумарний зазор _k у канатах і приводі; другий етап - розвиток навантаження в канатах до зусилля в них, рівному вазі вантажу Q, причому маса m_в протягом другого етапу перебуває в стані спокою; третій етап - спільний рух всіх пружно зв'язаних мас системи.

На першому етапі вибирається зазор _k у канатах і приводі, а динамічні навантаження в металоконструкції і в канатах відсутні.

Другий етап руху описується рівняннями

(1)

Закінчується другий етап руху при натягуванні вантажних канатів

Третій етап руху описується рівняннями:

(2)

де

- натяг у канатах на третьому етапі руху.

Слід зазначити, що коефіцієнт жорсткості стріли с_с визначено як сумісну жорсткість металоконструкції стріли с_м і стрілової підвіски с_сп, а коефіцієнт жорсткості вантажного поліспаста с_в визначено як суму послідовно з'єднаних жорсткостей вантажного каната на ділянці від барабана до підвіски вантажу с_к і підвіски вантажу с_вп.

Рух стрілової системи описано диференціальними рівняннями другого порядку (1, 2). Ця система рівнянь, з урахуванням механічної характеристики приводу, нелінійна, вирішити її звичайними методами досить складно. Найбільш доцільно отримати рішення такої системи числовим методом кінцевих різниць.

При цьому рівняння в частинних похідних апроксимуються диференціально-різницевими рівняннями, які являють собою систему звичайних диференціальних рівнянь, приводячи їх до задачі Коши для системи звичайних диференціальних рівнянь.

Введено наступні позначення:

Тоді замість системи диференціальних рівнянь другого порядку (1, 2) отримана система рівнянь першого порядку:

- другий етап руху:

(3)

- третій етап руху:

(4)

Тут

;

;

;

Початкові умови для другого етапу руху:

Початкові умови для третього етапу руху:

Наступною задачею другого розділу було обґрунтування місця встановлення гасителя коливань в стріловій системі крана. Визначивши коефіцієнти диференціальних рівнянь і підставивши їх в рівняння (3, 4), а також початкові умови для другого і третього етапу руху отримано залежності зміни зусиль в вантажних канатах і металоконструкції стріли в часі для трьох випадків: піднімання вантажу без урахування гасителя коливань (рис.2); піднімання вантажу з урахуванням гасителя коливань в системі підвіски вантажу (рис. 3) і з урахуванням гасителя в системі підвіски стріли (рис. 4). При розрахунках величина коефіцієнту опору гідравлічних гасителів ш змінювалась в межах 20-60. В результаті рішення системи диференціальних рівнянь на ПЕОМ методом Рунге-Кутти отримані залежності при підніманні вантажу вагою еквівалентною 5 т. з жорсткої основи, початкова швидкість 0,16 м/с.

З отриманих залежностей видно, що при встановленні гасителя коливань в підвісці вантажу спостерігається підвищення якісних показників перехідного процесу, а саме: зменшення часу затухання коливань до 2 секунд; зусилля в стрілі і вантажних канатах з 85 кН до 79 кН; коефіцієнта динамічності з 1,7 до 1,58. Значного впливу гасителя коливань на тривалість часу розгону не спостерігається. Очевидно, що найбільш суттєво гаситель коливань, встановлений в підвіску вантажу, впливає на час затухання коливань. Також з рис. 4 видно, що встановлення гасителя в систему підвіски стріли не дає значного впливу на затухання коливань і тому є неефективним.

Рис. 2. Зміна зусилля в часі при підніманні вантажу вагою 5 т. з жорсткої основи без гасителів коливань: 1 - зусилля в стрілі; 2 - зусилля в вантажній підвісці.

Рис. 3. Зміна зусилля в часі при встановленні гасителя коливань в підвісці вантажу

Рис. 4. Зміна зусилля в часі при встановленні гасителя коливань в підвісці стріли

Далі в другому розділі досліджується вплив робочої характеристики гасителя коливань на динамічні навантаження при перехідному процесі.

Для цього в диференціальні рівняння (1), (2) введено робочу характеристику гасителя у вигляді сили опору Р_Гn, яка відповідає лінійній, прогресивній і регресивній характеристиці:

З метою визначення сили опору гасителя Р_Гn побудована розрахункова схема (рис. 5).

Рис. 5. Розрахункова схема для визначення сили опору гасителя коливань

Тут: с_Г - жорсткість пружного елемента гасителя коливань; y_п, y_в - шляхи пройдені масами m_п , m_в від початку координат; ш - коефіцієнт гідравлічного тертя (опору); Q - вага вантажу.

Введемо наступні позначення:

Тоді замість системи диференціальних рівнянь другого порядку отримаємо систему рівнянь першого порядку:

- другий етап руху:

(5)

- третій етап руху:

(6)

Підставивши в рівняння (5), (6) початкові умови для другого і третього етапу руху отримано залежності, які характеризують перехідний процес піднімання вантажу (рис. 6) з урахуванням робочої характеристики гасителя коливань.

З рисунку 6 видно, як змінюється амплітуда коливань зусиль в вантажних канатах, стрілі і приводі механізму піднімання при різних робочих характеристиках гасителя коливань. Так в порівнянні з графіком (рис. 6, а) коли гаситель коливань відсутній видно, що закон зміни опору гасителя суттєво впливає на амплітуду і час затухання коливань зусиль. Очевидно, що найбільш ефективно на ці показники впливає регресивний закон (рис. 6, г) в відмінності від лінійного (рис. 6, б) і прогресивного (рис. 6, в).

Рис. 6. Графіки зміни зусиль в часі при різних робочих характеристиках гасителя коливань: а - без гасителя; б - лінійна характеристика; в - прогресивна характеристика; г - регресивна характеристика; 1 - зусилля в стрілі (Р_с); 2 - зусилля в вантажних канатах (Р_к); 3 - зусилля приводу (Р_д).

Так графік зусиль показав, що коефіцієнт динамічності металоконструкції стріли при відсутності гасителя становить 1,7, при застосуванні гасителя з лінійною характеристикою 1,35, гасителя з прогресивною характеристикою 1,22 і гасителя з регресивною характеристикою 1,11. Суттєве зменшення амплітуди коливань зусиль спостерігається і в вантажних канатах.

В ході теоретичних досліджень було встановлено, що на динамічні навантаження в значній мірі впливає характер наростання рушійного моменту і тривалості пуску приводу. Так на рисунку 7 показано характер зміни терміну розгону приводу, а також коефіцієнта динамічності стрілової системи при підніманні вантажів вагою від 2,5 до 25 т. при швидкості піднімання 5, 10, 20 м/хв.

а)Размещено на http://www.allbest.ru/

б)Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Графіки зміни терміну розгону приводу (а) і коефіцієнта динамічності (б) в залежності від ваги вантажу: 1 - при швидкості піднімання 5 м/хв.; 2 - при швидкості піднімання 10 м/хв.; 3 - при швидкості піднімання 20 м/хв.

З рис. 7, а видно, що час розгону при підніманні вантажу 5 т. становить 0,19 секунди, а при підніманні вантажу 25 т. - 0,67 секунди, що в свою чергу відображується на величині коефіцієнта динаміки (рис. 7, б). Наприклад, при підніманні вантажу вагою 5 т. його величина склала 1,7, а вантажу вагою 25 т. - 1,2 (при швидкості піднімання 10м/хв.). Очевидно, що при підніманні вантажів вагою від 20 - 50% від максимальної вантажопідйомності відбувається прискорене протікання перехідних процесів в механізмі за рахунок перевищення рушійного моменту двигуна над статичним навантаженням від дії вантажу. Тобто відбувається форсований пуск механізму піднімання.

Дослідженнями також було встановлено, що на процес формування зусиль в стріловій системі впливає зміна вильоту стріли (рис. 8).

Рис. 8. Графік зміни коефіцієнта динамічності в залежності від вильоту стріли: 1- вантажу еквівалентного 5 т; 2 - вантажу еквівалентного 10 т; 3 - вантажу еквівалентного 15 т; 4 - вантажу еквівалентного 20 т; 5 - вантажу еквівалентного 25 т.

Представлені характеристики (рис. 8) показують, що при мінімальному вильоті стріли для вантажів від 5 до 25 т. коефіцієнт динаміки стрілової системи зменшується на 10 - 15 % в порівнянні з максимальним вильотом для відповідного вантажу.

В цьому ж розділі встановлені раціональні значення параметрів гасителя коливань, які найбільше впливають на характер перехідного процесу. З рисунку 6 видно, що встановлення гасителя коливань в систему підвіски вантажу дозволяє збільшити термін розгону механізму піднімання. В свою чергу час розгону механізму піднімання залежить від переміщення штока від початку координат і від коефіцієнта опору гідравлічного гасителя на початковій ділянці руху. З цього можна зробити висновок, що на динамічні навантаження при підніманні вантажу з жорсткої основи в значній мірі будуть впливати два фактори: величина коефіцієнта опору гідравлічного гасителя і термін розгону механізму піднімання .

Для встановлення впливу факторів і на коефіцієнт динаміки стріли самохідного крану використано метод математичного планування експерименту. Побудовано план і проведено машинний експеримент для чотирьох випадків: а) - піднімання максимального вантажу; б) - 75% від максимальної вантажопідйомності; в) - 50% від максимальної вантажопідйомності; г) - 25% від максимальної вантажопідйомності крана.

В результаті обробки даних методами регресивного аналізу отримано рівняння регресії, які пов'язують параметр оптимізації D (коефіцієнт динамічності) з факторами Z₁ i Z₂ для розрахункових випадків а, б, в і г:

а) вага вантажу складає 100% від максимальної вантажопідйомності

(7)

б) вага вантажу складає 75% від максимальної вантажопідйомності

(8)

в) вага вантажу складає 50% від максимальної вантажопідйомності

(9)

г) вага вантажу складає 25% від максимальної вантажопідйомності

(10)

Адекватність моделей оцінено по критерію варіації.

Для наочності поліноміальні моделі (7-10) представлено в графічному вигляді (рис. 9 - 12). Лінії відгуків, зображені на рис. 9 - 12, дозволяють легко простежити за зміною коефіцієнта динамічності металоконструкції стріли крана при варіюванні факторів що розглядаються для чотирьох розрахункових випадків (а, б, в і г).

Рис. 9. Графічне відображення функції D = f (Z₁, Z₂) для випадку а

Рис. 10. Графічне відображення функції D = f (Z₁, Z₂) для випадку б

Рис. 11. Графічне відображення функції D = f (Z₁, Z₂) для випадку в

Рис. 12. Графічне відображення функції D = f (Z₁, Z₂) для випадку г

В результаті моделювання процесу піднімання вантажу отримано раціональні значення величини коефіцієнта опору гідравлічного гасителя і терміну розгону механізму піднімання вантажу, також за допомогою рівнянь регресії (7 - 10) оцінено вплив кожного з факторів на зміну коефіцієнта динамічності. Так з рис. 9 - 12 видно, що найбільш ефективним є діапазон зміни коефіцієнта опору гідравлічного гасителя в межах від 30 до 50, а терміну розгону приводу механізму піднімання від 0,5 до 0,7 секунди. Збільшення значень цих факторів далі не дає значного зменшення динамічного навантаження, тому є недоцільним. Зменшення значень факторів, що розглядаються призводить до збільшення коефіцієнта динамічності до 1,4 - 2. Отже, для отримання коефіцієнта динамічності стріли в межах від 1 до 1,1 при підніманні вантажу з жорсткої основи, гідравлічний гаситель коливань повинен забезпечити: при підніманні вантажу вагою до 25% від максимальної вантажопідйомності, коефіцієнт опору 30 - 35, збільшення терміну розгону на 0,4 - 0,5 с; вантажу вагою 50% від максимальної вантажопідйомності, коефіцієнт опору 35 - 40, збільшення терміну розгону на 0,3 - 0,4 с; вантажу вагою 75% від максимальної вантажопідйомності, коефіцієнт опору 40 - 45, збільшення терміну розгону на 0,1 - 0,2 с; вантажу вагою 100% від максимальної вантажопідйомності, коефіцієнт опору гасителя 45 - 50, термін розгону можна не збільшувати. Виходячи з цього на рисунку 13 представлено залежність коефіцієнта опору гасителя коливань від ваги вантажу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Залежність коефіцієнта опору гасителя коливань від ваги вантажу

В третьому розділі запропоноване технічне рішення гідравлічного гасителя коливань (рис. 14), адаптованого до зміни ваги вантажу, в якому забезпечується необхідний рівень дисипації енергії коливань за заданим законом, а також збільшення терміну розгону механізму піднімання до часу, при якому коефіцієнт динамічності матиме мінімальні значення.

а) б) в) Рис. 14. Гаситель коливань з гідромеханічним демпферним елементом: а - схема приєднання гасителя до крюкової підвіски; б - конструкція гасителя коливань; в - схема зміни поперечного перерізу дросельних отворів.

Гаситель коливань (рис. 14, б) складається з корпусу 3, внутрішня поверхня якого є робочим гідроциліндром, герметично закритим з обох боків кришками 4 і 5, всередині гідроциліндр 3 заповнений робочою рідиною. Гідроциліндр 3 поділений на дві порожнини (стискання і віддачі) поршнем, який складається з двох елементів 6 і 7, та підпружинений пружиною 8. Поршень закріплений на штоку 9. Елементи поршня 6 і 7 мають співвісні дросельні отвори постійного перерізу та однакового розміру, для перетікання робочої рідини з однієї порожнини корпусу до іншої. На внутрішній поверхні корпуса 3 на ділянці, яка співпадає з ходом поршня виконані дві поздовжні напрямні 10 і 11. Напрямна 10 виконана прямолінійною і через боковий виступ елемента 6 взаємодіє з ним. Напрямна 11 виконана криволінійною за заданим законом і через боковий виступ елемента 7 взаємодіє з ним. У кожній точці ходу поршня центральний кут між напрямними 10 і 11 задає кут повороту елемента 6 відносно елемента 7. У положенні статичної рівноваги величина центрального кута між напрямними 10 і 11 дорівнює 180°. При цьому положення отворів елементів 6 і 7 співпадають, і величина прохідного перерізу постійного дроселя максимальна. У кришці 5 закріплений гак 12, на який підвішується вантаж.

Працює даний пристрій таким чином. В начальний період піднімання вантажні канати ослаблені і під дією зведеної до них сили приводу натягуються до зусилля, відповідному вазі вантажу, при цьому шток 9 з поршнем рухається вгору, стискаючи пружину 8 і, забезпечуючи попереднє натягування канатів.

Під час руху штоку 9, елемент 7, який взаємодіє з напрямною 11, повертається навколо повздовжньої осі штока 9 та відносно елемента 6. Кут цього повороту в кожній точці ділянки ходу поршня визначається величиною центрального кута між напрямними 10 і 11. При цьому дросельні отвори в елементі 7 зміщуються відносно дросельних отворів елемента 6 на такий же кут і відбувається зміна прохідного перерізу постійного дроселя (рис. 3.6, в) і відповідно сили опору гасителя 1.

Коли сила натягування вантажних канатів і сила опору гасителя 1 стають рівними вазі вантажу, починається його відрив від основи. В цей період рушійний момент приводу механізму піднімання починає значно перевищувати статичне навантаження на гаку 12 від дії вантажу, в наслідок цього сила натягування канатів стає більшою за силу опору гасителя 1 і шток 9 з поршнем стискаючи пружину 8 і продавлюючи робочу рідину з порожнини стискання в порожнину віддачі гідроциліндра 3, переміститься на деяку відстань вгору, за рахунок продавлювання робочої рідини через дросельні отвори елементів 6 і 7 поршня відбувається поглинання енергії динамічних коливань. Переміщення штоку 9 буде відбуватися до тих пір, доки сила натягування канатів не стане рівною силі опору гасителя 1, яка відповідає навантаженню на гаку 12 від дії вантажу при сталому русі механізму піднімання. За рахунок цього збільшиться термін перехідного процесу до такого часу, при якому динамічні навантаження матимуть рівень навантажень відповідних сталому руху. Надмірна потенціальна енергія пружини 8, що виникла в результаті дії динамічної складової при відриві вантажу з основи передається робочій рідині за рахунок її перетікання з порожнини віддачі в порожнину стискання через дросельні отвори. При цьому стиснення пружини 8 зменшується, а шток 9 рухається в зворотному напрямку. пошкодження металоконструкція динамічний навантаження

При збільшенні ваги вантажу шток 9 з поршнем переміститься в гору на більшу відстань, стискаючи пружину 8, прохідний переріз постійного дроселя зменшиться, за рахунок чого підвищиться сила опору гасителя до встановленого силовою характеристикою значення. Повернення штока 9 в начальне положення відбувається за рахунок розтиснення пружини 8.

Далі в третьому розділі розроблена методика визначення основних параметрів гідромеханічного і пружного елемента гасителя коливань, знайдено залежність коефіцієнта опору гасителя від кута перекриття дросельних отворів (рис 15), а також побудовано профіль криволінійної напрямної канавки, за допомогою якої реалізується раціональний закон зміни сили опору (рис. 16).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.15. Залежність коефіцієнта опору гасителя від кута перекриття дросельних отворів діаметром 14 мм



Рис. 16. Побудова криволінійного профілю напрямної канавки

Отриману криву описано математичною залежністю методом найменших квадратів

(11)

В четвертому розділі розроблена фізична модель і проведені експериментальні дослідження динаміки піднімання вантажу. Дослідження проводились спочатку для випадків піднімання вантажу без гасителя коливань, потім з гасителем, включеним в систему підвіски стріли і систему підвіски вантажу.

На рис. 17 і 18 показана експериментальна установка, яка була створена для дослідження динамічних навантажень, що виникають в стріловій системі при підніманні вантажу, а також перевірки ефективності застосування гідравлічних гасителів коливань.

Рис. 17. Експериментальна установка



Рис. 18.Схема експериментальної установки

Експериментальна модель (рис. 18) складається з приводу механізму піднімання вантажу 1, приводу механізму піднімання стріли 2, ґратчастої стріли 3, вантажної підвіски 4, стрілової підвіски 5, в силовий ланцюг підвіски вантажу і підвіски стріли послідовно включені гідравлічні гасителі коливань 6, 9 і датчики вимірювання зусиль 7, 8. Керування установкою здійснювалось за допомогою пульта керування (рис. 17). Вимірювання і реєстрація величин, що досліджувались, проводились за допомогою вимірювально-реєструючої апаратури.

За допомогою експериментальної установки були отримані записи формування зусиль при підніманні вантажу з основи. Так на рис. 19 представлені копії осцилограм, що описують зміну зусилля F(t) в підвісці стріли і вантажних канатах при підніманні вантажу вагою, еквівалентною 5 тоннам. З рис. 19 видно, що застосування гідравлічного гасителя в вантажній підвісці дозволяє зменшити коефіцієнт динамічності майже до одиниці. Очевидно, що таке зменшення динамічних навантажень досягається за рахунок збільшення терміну розгону механізму піднімання з 0,2 секунди (рис. 19, а) до 0,9 секунди (рис. 19, в), попереднього натягу вантажних канатів а також поглинання кінетичної енергії дросельною системою гасителя. Слід зазначити, що встановлення гасителя в систему підвіски стріли не дає суттєвого зменшення амплітудних значень коливань зусиль та викликає утворення нижчої частоти коливань стріли від розгойдування крана (рис. 19, б), тому є малоефективним.

Порівняльний аналіз теоретичних і експериментальних досліджень показав, що в середньому розбіжність по нижчий частоті коливань складає 12,5%, розбіжність по коефіцієнту динамічності 6%, розбіжність по тривалості періоду розгону привода механізму піднімання в середньому склала 15%, що є задовільним з урахуванням швидкості протікання перехідного процесу. Отже результати рішення математичної моделі можна вважати достовірними, а саму модель адекватною.

При проведенні фізичного моделювання в якості натурного обраний стріловий самохідний гусеничний кран КГ - 25 (ГОСТ 22827 - 85) з довжиною основної стріли L_c = 14 м, ґратчастої конструкції з масою m_c = 2 т; загальною конструктивною масою крана 36 т; висотою підіймання 13,5 - 7,0 м.

Рис. 19. Копії осцилограм формування зусиль при підніманні вантажу еквівалентного п'яти тоннам експериментальною установкою: а - без гасителя коливань; б - з гасителем коливань встановленим в підвіску стріли; в - з гасителем коливань, встановленим в вантажну підвіску.



Порівняльна характеристика геометричних, масових і силових параметрів натури і моделі стрілової системи гусеничного крана показано в табл. 1.

Таблиця 1.

Порівняльна характеристика параметрів системи.

Параметри	Натура	Модель	Коеф. подібності	Умови теорії подібності	Розбіжність
Довжина стріли, мм	14000	1400	kl = 10
Маса стріли, кг	2000	2,0	Kм = 1000	Kм = kl 3=103	0%
Зведена маса стріли, кг	700	0,7	1000	1000	0%
Жорсткість системи стріла - стрілова підвіска, Н/м	0,69·107	0,66·106	10,4	10	4%
Жорсткість вантажної підвіски, Н/м	0,26·107	0,245·106	10,6	10	6%

З табл. 1 видно, що основні параметри моделі подібні до параметрів натурного зразка. Отже результати досліджень на фізичній моделі можна вважати достовірними.

Розрахунок ефективності використання запропонованого технічного рішення гідравлічного гасителя коливань у вантажній підвісці ССК показав, що завдяки зменшенню динамічних навантажень на металоконструкцію під час піднімання вантажу збільшується строк її служби в середньому на 4 роки, що підтверджує доцільність застосування гідравлічних гасителів коливань адаптивного типу на вантажопіднімальних кранах.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримані нові наукові положення з вирішення актуальної задачі підвищення техніко-експлуатаційних показників стрілових самохідних кранів встановленням гідравлічних гасителів коливань в систему підвіски вантажу, в яких сила опору змінюється за заданим законом.

1. Встановлено, що використання гідравлічного гасителя коливань в вантажній підвісці дозволяє збільшити строк служби ССК.

2. Аналіз літературних джерел і нормативних документів показав, що частка кранів, які відпрацювали свій строк служби, в середньому складає 75% від загальної кількості, а основною причиною їх списання є пошкодження від втомленості елементів металоконструкції, що виникають в результаті динамічних навантажень. Також встановлено, що основну частину динамічних навантажень сприймає і розповсюджує стрілова система самохідного крана, до складу якої відносяться: привод механізму піднімання, система підвіски вантажу та стріла зі стріловою поліспастовою системою.

3. Створена нова тримасова еквівалентна схема стрілової системи з включенням в силовий ланцюг гідравлічних гасителів коливань.

4. Для еквівалентної схеми складені рівняння руху з урахуванням зовнішньої сили приводу та робочої характеристики гідравлічного гасителя коливань, наведена методика їх розв'язання.

5. В результаті моделювання процесу піднімання вантажу з жорсткої основи стріловим самохідним краном виявлені наступні закономірності:

а) піднімання вантажу з жорсткої основи, вага якого менше номінальної вантажопідйомності призводить до скорочення терміну перехідних процесів і до збільшення амплітудних значень динамічних навантажень в 1,5 - 1,7 рази;

б) найбільш ефективним є встановлення гасителя коливань в силовий ланцюг підвіски вантажу, що призводить до затухання коливань на 2-ій секунді піднімання;

в) найбільш ефективним є застосування гідравлічного гасителя коливань з регресивною робочою характеристикою, що дозволяє зменшити амплітудні значення динамічних навантажень на 60%;

г) застосування гідравлічного гасителя коливань телескопічного типу, дає можливість штучно збільшити термін розгону приводу механізму піднімання до такого часу, при якому коефіцієнт динаміки має мінімальні значення (1 - 1,1), що відповідає тривалості пуску при максимальній вантажопідйомності крана (0,7 - 1 секунда);

6. Визначені раціональні параметри гідравлічного гасителя коливань, а саме коефіцієнта опору гасителя в межах 30…50, а також терміну розгону в межах 0,6…0,7 секунди, які передбачають зведення коефіцієнта динаміки в елементах крана до 1,1…1.

7. Розроблена конструкція нового гасителя коливань з гідромеханічним демпферним елементом і запропонована методика визначення його основних параметрів.

8. Розроблена експериментальна установка і проведені дослідження піднімання вантажу з жорсткої основи стріловим самохідним краном.

9. Впровадження запропонованого пристрою дає можливість зменшити масу металоконструкції стріли на 500 кг або збільшити строк її служби в середньому на 4 роки.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Подоляк О.С. Особенности работы приводов автомобильных кранов при переходных процессах / О.С. Подоляк, А.В. Силка // Современные направления теоретических и прикладных исследований -'2008: междунар. науч.-техн. конф., тезисы докл. - Одесса - 2008. - Т. 3. С. 34 - 36.

2. Подоляк О.С. Динамические нагрузки в трансмиссии автомобильных кранов при переходных процессах / А.П. Нестеров, О.С. Подоляк, А.В. Чернишенко // Збірник наукових праць УДАЗТ. - 2006. - Вип. 73. - С. 127-135.

3. Подоляк О.С. О влиянии конструктивных параметров на колебательный процесс привода механизма подъема / Л.А. Родионов, О.С. Подоляк, Н.Л. Шелкунова // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 2/5 (38). С. 35 - 37.

4. Подоляк О.С. Исследование динамических нагрузок при подъеме груза с жесткого основания автомобильным краном / О.С. Подоляк // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - Вып. 1/5 (37). С. 43 - 47.

5. Подоляк О.С. Математична модель процесу гасіння коливань металоконструкції стрілових самохідних кранів / О.С. Подоляк, Л.А. Родіонов, А.О. Павлова // Вісник НТУ "ХПІ" - 2009. - Вип. 28. С. 88-99.

6. Подоляк О.С. Анализ динамики подъема груза автомобильным краном / О.С. Подоляк // Вісник харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2009. - Вип. 77. С. 162 - 169.

7. Подоляк О.С. Теоретичне обґрунтування встановлення демпфера в стріловій системі самохідних кранів / О.С. Подоляк, Л.А. Родіонов, Г.І. Фесенко // Науковий вісник будівництва. ХДТУБА ХОТВ АБУ. - 2009. - Вип. 55. С. 208-212.

8. Подоляк О.С. Дослідження динамічних навантажень елементів стрілової системи самохідних кранів за допомогою фізичної моделі / О.С. Подоляк, Л.А. Родіонов // Науковий вісник будівництва. ХДТУБА ХОТВ АБУ. - 2010. - Вип. 56. С. 58-63.

9. Пат. На корисну модель 53198, Україна, МПК В66С 1/00 (2009). Саморегулювальний пристрій для зменшення динамічних навантажень вантажопідйомного механізму / Подоляк О.С., Ісьеміні І.І., Чернишенко О.В. / Заявник та патентовласник Українська інженерно-педагогічна академія. - u 2010 04107: заявл. 08.04.2010; опубл. 27.09.2010. Бюл. № 18.



Анотація

Подоляк О. С. "Підвищення техніко-експлуатаційних показників стрілових самохідних кранів застосуванням гідравлічних гасителів коливань". - Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05 - піднімально-транспортні машини - Українська інженерно-педагогічна академія, Харків 2010.

В роботі вирішена науково-технічна задача підвищення техніко-експлуатаційних показників стрілових самохідних кранів встановленням гідравлічних гасителів коливань в систему підвіски вантажу, в яких сила опору змінюється за заданим законом.

Розглянуто стан парку стрілових самохідних кранів і виявлено, що частка кранів, які відпрацювали свій термін служби в середньому складає 75% від загальної кількості, а основною причиною їх списання є пошкодження від втомленості елементів металоконструкції, що виникають в результаті динамічних навантажень. Також встановлено, що основну частину динамічних навантажень сприймає і розповсюджує стрілова система самохідного крана. Розроблено еквівалентну схему і математичну моделі з урахуванням гідравлічних гасителів коливань в стріловій і вантажній підвісках, а також їх робочих характеристик. Отримано закономірності функціонування гасителів коливань з елементами механізму піднімання і металоконструкції крана. Запропоновано нове технічне рішення гасителя коливань і методику визначення його основних параметрів. Розроблено експериментальну установку і перевірено ефективність використання запропонованого гасителя коливань, а також адекватність теоретичних досліджень. Виконано техніко-економічне обґрунтування застосування розробленого гасителя коливань і встановлено, що впровадження запропонованого пристрою дає можливість зменшити масу металоконструкції стріли на 500 кг або збільшити строк її служби в середньому на 4 роки.

Ключові слова: гаситель коливань, перехідний процес, динамічні навантаження, механізм піднімання, стріла, вантаж, стрілова система, коефіцієнт демпфування.



Аннотация

Подоляк О. С. "Повышение технико-эксплуатационных показателей стреловых самоходных кранов применением гидравлических гасителей колебаний". - Рукопись.

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

Диссертационная работа посвящена решению научно-технической задачи повышения технико-эксплуатационных показателей стреловых самоходных кранов установкой гидравлических гасителей колебаний в систему подвески груза, в которых сила сопротивления изменяется по заданному закону.

Проведен анализ литературных источников и нормативных документов, который показал, что часть кранов отработавших свой срок службы в среднем составляет 75% от общего количества. Основной причиной их списания являются усталостные повреждения элементов металлоконструкции, возникающие в результате действия динамических нагрузок. Также установлено, что основную часть динамических нагрузок воспринимает и распространяет стреловая система, в состав которой входят: привод механизма подъема, грузовая подвеска и стрела со стреловой полиспастной системой.

Разработаны эквивалентная схема, математическая и физическая модели стреловой системы самоходного крана. Определены рациональные параметры гидравлических гасителей колебаний, которые предусматривают уменьшение коэффициента динамичности элементов стреловой системы до 1.

Разработана конструкция нового гасителя колебаний с гидромеханическим демпфирующим элементом и предложена методика определения его основных параметров.

С помощью теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности функционирования гасителей колебаний с элементами стреловой системы. Установлено, что наиболее эффективным является включение гасителя в силовую цепь системы подвески груза, в котором сила сопротивления изменяется по регрессивному закону. Это позволило уменьшить коэффициент динамики стрелы с 1,6 до 1,1, грузовых канатов с 1,5 практически до 1, время разгона привода механизма подъема при форсированном пуске с 0,2 секунды до 0,7…1 секунды.

Установлено, что внедрение предложенного гасителя дает возможность уменьшить массу металлоконструкции стрелы на 500 кг или увеличить срок ее службы в среднем на 4 года.

Ключевые слова: гаситель колебаний, переходной процесс, динамические нагрузки, механизм подъема, стрела, груз, стреловая система, коэффициент демпфирования.



ANNOTATION

Podolyak O.S. "Increasing technical and operational parameters of boom mobile cranes using hydraulic dampers". - Manuscript

There is a thesis for acquiring the scientific degree of candidate of technical sciences, specialty 05.05.05 - lifting-transport machines. - Ukrainian Engineering Pedagogics Academy, Kharkiv 2010.

In this paper the scientific and technical problem of increasing the technical and operational parameters of boom mobile cranes installing hydraulic dampers in the skyhook system of load, in which the resistance varies according to the given law, is solved. The condition of boom mobile cranes park is considered and is found that some of the cranes, which have worked out their term of service an average are 75% of the total, and the main reason of they amortization are damages of elements, that appear in the issue of dynamic loads. Also is found that takes and spread the major part of dynamic loads by lift - down movement the load. The boom system consists of the drive mechanism for lifting, load skyhook and boom with boom block and tackle system. The research tool that includes dynamic, mathematical and physical models subject to the hydraulic dampers in the boom and load skyhooks, as well as their characteristics is developed. The regularities of functioning of dampers with elements of the lifting mechanism and crane metalware are obtained. A new engineering solution of damper and method of its basic parameters are suggested. The experimental setup is developed and the effectiveness of the proposed damper, as well as the goodness of fit of theoretical research are tested. The technical and economic assessment for the application of the developed damper is done and is found that the introduction of the proposed device makes it possible to reduce the mass of boom metalware at 27,5%, and increase the life of the crane in 1,4 times.

Key words: damper, transient process, dynamic loads, mechanism for lifting, boom, load, boom system, damping factor.

Размещено на Allbest.ru

...