CC BY
30
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Стихановский Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор Омского государственного университета путей сообщения (644046, г.Омск, пр. Маркса, 35, e-mail: bstish@ mail.ru).
Stikhanovskiy Boris Nikolaevich - d-r of technical Sciences, professor Omsk State Transport University (644046, Marksa,35 prospekt, Omsk, Russia, e-mail bstish@ mail.ru).
Стихановская Любовь Михайловна - кандидат технических наук, доцент Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета (644080, г.Омск, пр. Мира, 5, e-mail: stikhanovskaya@gmail.com).
Stikhanovskaya Lubov Mihailovna - candidate of technical Sciences, associate Professor Sibirskaya State Automobile and Highway University (644080, Mira,5 prospect, Omsk, Russia, stikhanovskaya@gmail.com).
УДК 621.86/87
ВЛИЯНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ГРУЗА НА СТРЕЛЕ КРАНА - ТРУБОУКЛАДЧИКА НА ИЗМЕНЕНИЕ ГРУЗОВОГО МОМЕНТА
Р.Ю. Сухарев, В.В. Танский
ФГБОУ ВО «СибАДИ», г. Омск, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Основной особенностью эксплуатации кранов-трубоукладчиков является работа в сложных грунтовых условиях, что существенно влияет на режим работы машины. Данный фактор является одной из основных причин, приводящих к раскачиванию груза на стреле крана-трубоукладчика и, как следствие, аварийным и нештатным ситуациям. В работе рассмотрены вынужденные колебания груза на стреле крана-трубоукладчика, причины их возникновения и проблемы, к которым они приводят. Рассмотрены инженерные решения предшественников. Обоснован новый подход к решению данных проблем.
Материалы и методы: обоснована расчетная схема крана-трубоукладчика, приняты допущения, введены системы координат, составлена математическая модель крана-трубоукладчика.
Результаты: построены следующие временные зависимости: отклонение груза в поперечной плоскости крана-трубоукладчика (горизонтальные колебания), отклонение груза в продольной плоскости крана-трубоукладчика, крен базовой машины, изменение грузового момента. Определено влияние горизонтальных колебаний груза на изменение грузового момента и возникновение вертикальных колебаний.
Обсуждение и заключение: дана оценка влияния горизонтальных колебаний на изменение грузового момента и, как следствие, отрицательного влияния на устойчивость крана-трубоукладчика.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: кран-трубоукладчик, колебания, груз, грузовой момент, устойчивость, расчетная схема, однородные координаты, микрорельеф, отклонение груза.
ВВЕДЕНИЕ
Сложность прокладки трубопровода зачастую связана с удаленностью объектов строительства, с их расположением в болотистых районах со слабыми или вечномерзлыми грунтами [6,7,8]. В процессе укладки трубопровода в траншею нагрузка на крюке крана-трубоукладчика (КТ) изменяется в большом диапазоне [10] - от нулевой до максимальной. Причина такого колебания груза - это изменение высотного положения одного КТ относительного другого вследствие преодоления неровностей микрорельефа, а также колебания, возника-
ющие в системе [2,20]. Наличие неровностей микрорельефа при выполнении работ по обустройству газовых и нефтяных месторождений, прокладке трубопровода является одним из основных негативно влияющих факторов [8].
На сегодняшний день в работах предшественников рассматриваются вертикальные колебания трубопровода, приводящие к неравномерному распределению массы трубопровода и, как следствие, потере устойчивости КТ. Раскачивание трубопровода в горизонтальной плоскости в процессе укладки трубопровода может привести к удару трубы о стенку траншеи или стрелу КТ, что в свою очередь при-
водит к повреждению изоляции трубопровода и самой трубы. При наличии горизонтальных колебаний трубопровода снижается точность производимых работ и уменьшение скорости их выполнения. Существуют инженерные решения, направленные на снижение амплитуды колебания груза на стреле КТ[15,16,17,18], более старый решения хорошо рассмотрены в статье [19], однако вопрос влияния горизонтальных колебаний на изменения грузового момента и возникновения вертикальных колебаний раскрыт не полностью.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
На рисунке 1. представлена расчетная схема КТ. При составлении схемы были приняты следующие допущения: КТ является стационарной и голономной системой, кран представляет собой шарнирно-сочлененный мно-гозвенник с наложенными на него упругими и динамическими связями, внешние силы, действующие на КТ, являются сосредоточенными, люфты и силы сухого трения в шарнирах отсутствуют [2,4].
Для оценки угловых перемещений КТ в поперечной плоскости были заданы следующие системы координат: инерциальная О0Х^^0, локальная О^^^ - поворот базовой машины на угол а. локальная О2Х^^2 - поворот стрелы на угол а2 и локальная О^^^ - поворот грузового каната на угол а3. Расположение систем координат показано на рисунке 1. Все системы координат правые.
Введены обобщенные координаты, обозначение которых представлено в таблице 1,
Согласно методике однородных координат [1,2,3,5,9] были составлены матрицы перехода от локальных систем координат к инерци-альной. Получены матрицы скоростей U¡j. Координаты и скорости точек упруго-вязких тел описываются матрицами соответствующих звеньев, к которым принадлежат тела[11, 12].
Рисунок 1 - Расчетная схема крана-трубоукладчика Drawing 1 - The design diagram of the pipe-laying crane
Полученные матрицы позволили составить уравнение Лагранжа второго рода в вектор-но-матричной форме для вынужденных колебаний системы [13, 14].
Таблица 1.
СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ УГЛОВЫМИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯМИ И ОБОБЩЕННЫМИ КООРДИНАТАМИ
Table 1.
CORRESPONDENCE BETWEEN ANGULAR DISPLACEMENTS AND GENERALIZED COORDINATES
Перемещение/Moving Обобщенная координата/ The generalized coordinate
Поворот базового трактора на угол а1 (крен)/ Turn the basic tractor to an angle a1 (heeling) 41
Поворот стрелы в на угол а2/ Rotating the boom in an angle a2
Поворот грузового каната на угол а3/ Turning the cargo rope to an angle a3 Чз
±±*Цг °н иМ] +
ы=1 1=
+Х ±*[Мр,вим1]4Е+
и=1]=1 и=1]=1
ЛъяСи,л=Рги1 VК, т -=1 (1)
где 3 - количество звеньев, 3 л колитестно степеней свободы, 7 -зе-ичмство упАргихиле-ментов, Ц - матрица сморос™ ¡-се елзмента по ¡-й координате, Н - матилца ин^->иуонно-сти 1-го элемента, Ми- ч маирицм дчфосмизти и-го упругого элеменез ло |-Л координате, 13и - матрица упругости, М.- матрица тязка>сти и-го упругого элементо, - вектор сил тяжей.
сти звеньев систем л, -- рчмнуч лрктор з^си
ААТ
звена, п- . е^^ссга :-го звеча, 0у1ит - толнепр-нированнач зчтр-ца -еформаоти н - упергосо
т т Т
ЭЕЗ-Засч, V - т-о-cпoтасспaнеaямет-и-
с/.
ца азачрстиС-гл эмeмeнтм; ; - обобщмннао
Ь3
коиозинатапо зтепени своб-ды - г - треш-няя сила, приложенная к ¡-м- з^^ицт оасчетзлй
схчмы, ^^ - мачри1.-гс -зорюл-м ¡-го г-л<^зле5нтч,
-з
1Х1г - вектор в локальной системе координат звенаточкиприложениясилы.
С целью изучения влияния горизонтальных колебаний груза на стреле крана - трубоукладчика на возникновение вертикальных колебаний был проведенмашинный эксперимент. На рисунке1показанасхемаегопроведения.
В ходе эксперимента на правую гусеницу КТ подавалось возмущение ув со стороны микрорельефа, импульсное воздействие, что приводило к вынужденным колебаниям груза. С целью выявления взаимосвязи отклонения груза в горизонтальной плоскости на его вертикальные колебания сравнивались следующие временныезависимости:
- отклонение груза по оси X, как плечо центра масс груза I - расстояние от ребра опро-
зр
кидывания до центрамассгруза;
- -тклонение груза по оси Y как расстояние ои оптг>ной палзруиости -во цене-м моес г-уза;
- угол крена базовой машины а;
- ззменение Мгр грузового момента.
Грузовеймтлзнц р2ссчитывался по форму-
ле2[2]
М =0 ■ I , (2)
г-з ур гр'
где: Gгр - вес груза, 1гр - текущее плечо центра масс груза относительно ребра опрокидыва-ния[2].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Из рисунка 2 видно, что колебания высотной координаты груза по Y убывают неравномерно, периодически возрастают, что вызвано колебанием угла крена крана - трубоукладчика. Рассмотрим участок кривой на верхнем графике (колебание груза по оси X) от точки 1 до точки 2, что соответствует раскачиванию груза, уже воспринявшего возмущающее воздействие, от самой ближней точки к ребру опрокидывания до самой дальней. Из графика видно, что по мере удаления груза от ребра опрокидывания возрастает I что соответственно приводит к увеличению Мгр. По мере увеличения грузового момента возрастает и значение по модулю угла крена базовой машины, достигая максимума (точка 6), одновре-меннос грузовыммоментом(точка8).
Такимобразом груз, совершая колебания в сторону от стрелы, возвращается не на высоту с учетом затухания колебаний, а на высоту с учетом крена базовой машины, вследствие изменения грузового момента и с учетом затухания колебаний(точка 4).
В случае подачи возмущения со стороны груза происходит отклонение его в сторону от стрелы. Наблюдается тот же характер затухания колебаний по Y и изменения грузового момента, что и впервомслучае,рисунок 3.
ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Горизонтальные колебания груза приводят к колебанию грузового момента и как результат вертикальным колебаниям груза.
Такое взаимовлияние повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций в ходе производства работ, так как способствует процессу накопления колебаний в системе вследствиеизменениягрузовогомомента.
Рисунок 2: а) отклонение груза по оси X0; б)отклонение груза по оси Y0; в) крен базовой машины;
г) изменение грузового момента;
Illustration 2:
а) deviation of cargo along the X0 axis;
б) deviation of cargo along the Y0 axis; в) roll of the base machine; г) change of cargo moment
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Щербаков В.С., Корытов М.С., Котькин С.В. Система автоматизации моделирования стреловых грузоподъемных кранов. Омск : СибАДИ, 2012. 143 с.
2. Щербаков В.С., Шабалин А. Н., Корытов М.С. Методы управления комплектом машин трубоукладочной колонны. Омск : СибАДИ, 2014. 151 с.
3. Щербаков В.С., Сухарев РЮ. Совершенствование системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора. Омск : СибАДИ, 2011. 149 с.
4. Танский В.В. Влияние координат точки крепления уравновешивающего каната на колебания груза крана -трубоукладчика // Вестник СибАДИ. 2017. № 1(53). С. 48 - 53.
5. Щербаков В.С., Реброва И.А., Корытов М.С., Посту-хова Е.И. Автоматизация процесса моделирования траектории движения рабочего органа робота манипулятора.
Рисунок 3: а) отклонение груза по оси X0; б)отклонение груза по оси Y0; в) крен базовой машины;
г) изменение грузового момента;
Illustration 3:
а) deviation of cargo along the X0 axis;
б) deviation of cargo along the Y0 axis; в) roll of the base machine; г) change of cargo moment
Омск: Филиал ГОУ ВПО «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности» в г. Омске. 2009. 120 с.
6. Горбатиков В.А., Соколов С.М., Пальянов П.А. Проектирование обустройства нефтяных месторождений и его научное обоснование // Нефтяное хозяйство. 2005. № 9. С. 114 - 119.
7. Минкин М.А., Потапова О.А. Особенности обустройства нефтяных и газовых месторождений России и основания и фундаменты зданий и сооружений // Вестник Московского государственного строительного университета. 2006. № 1. С. 180 - 187.
8. Попов М.Ю., Осипов С.П. Особенности эксплуатации стреловых кранов и кранов-трубоукладчиков в режиме перемещения с грузом в условиях промыслового бездорожья // Механизация строительства. 2013. № 11(833). С. 22 - 25.
9. Система управления краном - трубоукладчиком исключающая опрокидывание трубоукладочной колонны/ Шабалин А.Н. // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (с международным участием) «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования». Омск. 2012. С. 83 - 87.
10. Семин Е.Л. Капитальный ремонт магистральных трубопроводов с применением грунтовых и инвентарных опор // Трубопроводный транспорт: теория и практика. № 4(26). 2011. С. 25 - 27.
11. Щербаков В.С., Милюшенко С.А. Совершенствование системы управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика. Омск: СибАДИ, 2010. 161 с.
12. Щербаков В.С., Корытов М.С., Григорьев М.Г. Автоматизация проектирования устройств управления положением платформы строительной машины. Омск: СибА-ДИ, 2011. 119 с.
13. Щербаков В.С., Корытов М.С., Архипенко М.Ю., Камуз Н.А. Стабилизация несущей платформы в горизонтальной плоскости // Строительные и дорожные машины. 2013. № 2. С. 36 - 40.
14. Щербаков В.С., Корытов М.С., Камуз Н.А. Методика проверки положения грузоподъемного крана в про-
странстве конфигураций по ограничению на устойчивость // Материалы 66-й Междунар. науч.-практ. конф. «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России». Омск, 2012. С. 408 - 412.
15. Кран-трубоукладчик: пат. 131 371 Российская Федерация, МПК В66С23/88./ Щербаков В.С., Шабалин А.Н. № 2013115403/11. 2 с.
16. Кран-трубоукладчик: пат. 140 492 Российская Федерация, МПК В66С23/88./ Щербаков В.С., Шабалин А.Н. № 2013155099/11. 2 с.
17. Кран-трубоукладчик: пат. 158 094 Российская Федерация, МПК В66С23/26./ Щербаков В.С., Корытов М. С., Танский В.В. № 2015120191/11. 2 с.
18. Кран-трубоукладчик: пат. 158 181 Российская Федерация, МПК В66С23/26./ Щербаков В.С., Танский В.В. № 2015120193/11. 2 с.
19. Шабалин А.Н. Система стабилизации нагрузки на кран - трубоукладчик // Вестник СибАДИ. 2013. № 2(30). С. 29 - 34.
20. Танский В.В. Обоснование расчетной схемы крана-трубоукладчика // Техника и технологии строительства. 2017. № 4(8). С. 54 - 60.
THE INFLUENCE OF THE HORIZONTAL LOAD VIBRATIONS OF THE CRANE-PIPE LAYING MACHINE GIBBET ON THE LOAD MOMENT STABILITY
R.Yu. Sukharev, V.V. Tanskiy
ANNOTATION
Introduction: the main feature of operation of cranes-pipe layers is work in difficult ground conditions, which significantly affects the operating mode of the machine. This factor is one of the main reason leading to the rocking of the load on the crane-pipe laying machine gibbet and as a consequence it leads to emergency and contingency situations. In the research the forced vibration of the load on the crane-pipe layer gibbet and the causes of their occurrence and the problems to which they lead are observed. Engineering solutions of predecessors are considered. A new approach to the solution of these problems is proved.
Materials and methods: the design scheme of the crane-pipe laying machine is justified, assumptions are accepted, coordinate systems are introduced, and a mathematical model of the crane-pipe-laying machine is compiled.
Results: the following time dependences are constructed: the deflection of the cargo in the transverse plane of the crane-pipe layer (horizontalvibrations), the deflection of the cargo in the longitudinal plane of the pipe laying crane, the roll of the base machine, the change in the load moment are also constructed. The influence of the horizontal vibrations of the load on the change in the load moment and the occurrence of vertical vibrations is determined.
Discussion and conclusion: the effect of horizontal vibrations on the change of the load moment is evaluated and as a consequence of the negative effect on the stability of the crane-pipe laying machine is presented.
KEYWORDS: Crane-pipe laying machine, vibrations, cargo, load moment, stability, design scheme, homogeneous coordinates, microrelief, load deflection.
REFERENCES upravleniya komplektom mashin truboukladochnoy kolonny
[A set of management practices of the column pipe-laying
1. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Kotkin S.V. Sistema machines]. Omsk, SibADI, 2014, 151 p.
avtomatizatsii modelirovaniya strelovykh gruzopod»yemnykh 3. Sherbakov V.S., Sukharev R.Y. Sovershenstvovaniye
kranov [The automation system simulation jib cranes]. Omsk, sistemy upravleniya rabochim organom tsepnogo SibAD1, 2012, 143 p. transheynogo ekskavatora [Improving governance working
2. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Shabalin A. N. Metody body of the chain trencher]. Omsk, SibADI, 2011, 149 p.
4. Tanskiy V.V. Vliyaniye koordinat tochki krepleniya uravnoveshivayushchego kanata na kolebaniya gruza krana - truboukladchika [Effect reference point mount counterbalancing ropes wavering cargo pipe-laying crane]. Vestnik Sibadi, 2017, no 1(53), pp. 48-53.
5. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Postukhova E.I. Avtomatizatsiya protsessa modelirovaniya trayektorii dvizheniya rabochego organa robota manipulyatora [Automation simulation trajectory of the working body of the robot manipulator]. Omsk, SibADI, 2009, 120 p.
6. Gorbatikov V.A. Proyektirovaniye obustroystva neftyanykh mestorozhdeniy i yego nauchnoye obosnovaniye [Designing the arrangement of oil fields and its scientific justification]. Neftyanoye khozyaystvo - Oil Industry, 2005, no 9, pp. 114 - 119.
7. Minkin M.A., Potapov O.A. Osobennosti obustrojstva neftjanyh i gazovyh mestorozhdenij Rossii i osnovanija i fundamenty zdanij i sooruzhenij [Features of the arrangement of oil and gas fields in Russia and the foundations and foundations of buildings and structures]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta - Bulletin of the Moscow State University of Civil Engineering, 2006, no 1, pp. 180 - 187.
8. Popov M.Y., Osipov S.P. Osobennosti ekspluatatsii strelovykh kranov i kranov-truboukladchikov v rezhime peremeshcheniya s gruzom v usloviyakh promyslovogo bezdorozh'ya [Features of operation of jib cranes and pipe-laying cranes in the mode of moving with cargo in off-road fishing conditions]. Mekhanizatsiya stroitel'stva - Mechanization of construction, 2013, no №11(833), pp. 22 - 25.
9. Shabalin A. N. Sistema upravleniya kranom -truboukladchikom isklyuchayushchaya oprokidyvaniye truboukladochnoy kolonny [The control system of the crane - the pipe laying device, which excludes the overturning of the pipe-laying column]. Materialy VII Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii FGBOU VPO «SibADI» «Razvitiye dorozhno-transportnogo kompleksa i stroitel'noy infrastruktury na osnove ratsional'nogo prirodopol'zovaniya» [Materials of the VII All-Russian Scientific and Practical Conference «SibADI» «The development of the road transport complex and the construction infrastructure on the basis of rational nature management»], 2012. pp. 83 - 87.
10. Semin E.L. Kapital'nyy remont magistral'nykh truboprovodov s primeneniyem gruntovykh i inventarnykh opor [Overhaul of main pipelines using ground and inventory supports. Pipeline transport: theory and practice]. Truboprovodnyy transport: teoriya i praktika - Pipeline transport: theory and practice, 2011, no №4(26), pp. 25 - 27.
11. Sherbakov V.S., Milyshenko S.A. Sovershenstvovaniye sistemy upravleniya vyglazhivayushchey plitoy asfal'toukladchika [Improving governance screed paver]. Omsk, SibADI, 2010. 161 p.
12. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Grigorev M.G. Avtomatizatsiya proyektirovaniya ustroystv upravleniya polozheniyem platformy stroitel'noy mashiny [Design automation controls the position of a construction machine platform] Omsk, SibADI, 2011, 119 p.
13. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Arkhipenko M.Y., Kamuz N.A. Stabilizatsiya nesushchey platformy v gorizontal'noy ploskosti [Stabilization of the support base horizontally].
Stroitel'nyye i dorozhnyye mashiny - Building and road machines, 2013, no 2, pp. 36 - 40.
14. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Kamuz N.A. Metodika proverki polozheniya gruzopod»yemnogo krana v prostranstve konfiguratsiy po ogranicheniyu na ustoychivost' [Methods of checking the position of the crane in the configuration space to limit the stability]. Materialy 66-y Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Oriyentirovannyye fundamental'nyye i prikladnyye issledovaniya - osnova modernizatsii i innovatsionnogo razvitiya arkhitekturno-stroitel'nogo i dorozhno-transportnogo kompleksov Rossii» [Materials of the 66th Intern. scientific-practical. Conf. «Oriented fundamental and applied research is the basis for modernization and innovative development of the architectural, construction and road transport complexes of Russia»], 2012, no 66, pp. 408 - 412.
15. Sherbakov V.S., Shabalin A. N. Kran - truboukladchik [Pipe-laying crane]. Patent RF, no 2013115403/11, 2013.
16. Sherbakov V.S., Shabalin A. N. Kran - truboukladchik [Pipe-laying crane]. Patent RF, no 2013155099/11, 2013.
17. Sherbakov V.S., Koritov M.S., Tanskiy V.V. Kran
- truboukladchik [Pipe-laying crane]. Patent RF, no 2015120191/11, 2015.
18. Sherbakov V.S., Tanskiy V.V. Kran - truboukladchik [Pipe-laying crane]. Patent RF, no 2015120193/11, 2015.
19. Shabalin A. N. Sistema stabilizatsii nagruzki na kran -truboukladchik [The system for stabilizing the load on the pipe
- laying crane] Vestnik Sibadi, 2013, no 2 (30), pp. 29 - 34.
20. Tanskiy V. V. Obosnovaniye raschetnoy skhemy krana-truboukladchika [Justification of the design scheme of the pipe-laying crane] Tekhnika i tekhnologii stroitel'stva, 2017, no 4 (8), pp. 54 - 60.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сухарев Роман Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, кафедра «АППиЭ», доцент, ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира 5, e-mail: suharev_ ry@sibadi.org).
Sukharev Roman Yurievich - Ph.D., Associate Professor, Department 2APPiE», Associate Professor, FGBOU V SibADI, 644080, Omsk, Mira Ave., 5, e-mail: suharev_ry@sibadi.org).
Танский Вячеслав Владимирович, кафедра «Механика», инженер, ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира 5, e-mail: s1ava8968@gmail.com).
Tanskiy Vyacheslav Vladimirovich, Department «Mechanics», engineer, FGBOU V SibADI (644080, Omsk, Mira Ave., 5, e-mail: s1ava8968@gmail.com).
ВКЛАД АВТОРОВ
Танский В.В. Проведен анализ вопроса, обоснована расчетная схема, составлены уравнение Лагранжа второго рода в векторно-матричной форме для вынужденных колебаний системы, исследование влияния горизонтальных колебаний на изменение грузового момента при подаче возмущения со стороны груза, заключение.
Сухарев Р.Ю. Проверка статьи, исследование влияния горизонтальных колебаний на изменение грузового момента при подаче возмущения со стороны микрорельефа, заключение.
