CC BY
88
УДК 621.873.35: 629.11.02 В. А. Обыденов, асп.,
В. Ю. Анцев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, anzev@tsu.tula.ru,
П. А. Сорокин, д-р техн. наук, проф.,
А. В. Мишин, студент,
(4872)33-22-88, ptm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ МОБИЛЬНЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Рассмотрены случаи влияния изменения опорного контура грузоподъемной машины в процессе выполнениярабочих операций в заранее неопределенныхусловиях на поведение металлоконструкции с использованием метода конечных элементов.
Ключевые слова: мобильные грузоподъемные машины, опорный контур, метод конечных элементов, металлоконструкции.
Обеспечение устойчивости грузоподъемных машин (ГПМ) является важнейшим условием при разработке систем управления их рабочими операциями. Около половины всех аварий ГПМ связано с их опрокидыванием, что приводит, как правило, к разрушению машины без возможности ее дальнейшего восстановления, а также к возможным вторичным разрушениям и человеческим жертвам [1].
В настоящее время создано множество приборов безопасности, направленных на повышение устойчивости и предотвращение опрокидывания крана. Рассмотрены и частично реализованы теории координатного, параметрического, адаптивного управления, но опрокидывание крановых установок продолжается.
Основные причины возникновения аварийных ситуаций можно разделить на следующие группы:
- связанные с конструктивными и технологическими недостатками (неисправность приборов безопасности, некачественное изготовление и неудовлетворительное состояние элементов конструкции);
- связанные с нарушениями правил безопасной эксплуатации (несвоевременный контроль состояния ГПМ, неудовлетворительная организация работ, преднамеренный вывод из работы ограничителя грузоподъемности, неправильная установка ГПМ и т. п.);
- вызванные влиянием внешних факторов и нестационарностью параметров самой машины (просадка грунта под опорами, резкое усиление ветра, динамические нагрузки в момент переходных процессов, изменение режимов работы механизмов в процессе выполнения грузоподъемных операций и др.) [2].
В изучение методов обеспечения устойчивости ГПМ входит ряд задач, в том числе анализ поведения металлоконструкции при изменении
опорного контура крановой установки и внешних возмущающих воздействий. Одним из наиболее перспективных является метод конечных элементов. Особенностью метода является достоверность результатов при соблюдении ряда условий, доступность, а также простота в использовании.
Для анализа поведения металлоконструкции построены модели основных сборочных единиц крановой установки. Четырехопорная конструкция наиболее распространена, т. к. обладает достаточной устойчивостью при соблюдении требований правил безопасности, а также имеет компактные размеры, что позволяет разместить крановую установку на любом шасси.
В зависимости от грузоподъемности и высоты подъема количество секций стрелы, габаритные размеры рамы, поворотной платформы и аутригеров могут изменяться, в целом конструкция не меняется.
Все сборочные единицы трехмерной модели построены в масштабе 1:1 и взаимосвязаны между собой в зависимости от функциональной принадлежности каждой единицы. Ограничения исключают искажение итоговых результатов, а так же ошибки при построении КЭ сетки. В итоге аутригеры и рама сопряжены связью, имитирующей фиксирующие пальцы. Между рамой и поворотной платформой наложено ограничение, заменяющее опорно-поворотное устройство. Стрела и поворотная платформа имеет связь, которая заменяет фиксирующий палец в месте стыка, а также дополнительное ограничение, имитирующее гидроцилиндр подъема-опускания стрелы.
Рассмотрим два случая: в первом смоделируем идеальные условия работы крана с максимальным грузом при максимальном вылете и высоте подъема стрелы, а во втором проанализируем поведение металлоконструкции при тех же данных, но с нарушением опорного контура, т. е. рассмотрим ситуацию при просадке одной из опор.
Исходя из грузовой характеристики взятого ддя анализа мобильного крана, приложим нагрузку 4 т на ддине стрелы 14 м при вылете 7 ми 1,5 т при той же ддине стрелы, но при вылете 13 м. Данные показатели соответствуют максимальным значениям высоты подъема и вылета стрелы данного мобильного крана.
Так как ддя анализа мы используем только металлоконструкцию крановой установки, без балласта, навесного оборудования ит. п., то необходимо создать дополнительные граничные условия, которые увеличат собственную устойчивость крана, т. е. значение удерживающего момента. Такие условия зададим дополнительной распределенной нагрузкой на опорную раму крана. В итоге расчетная схема ддя случая с максимальным вылетом стрелы и нормальным опорным контуром имеет вид, представленный на рис. 1.
При моделировании процесса выполнения грузоподъемных операций, как правило, рассматривается трехопорный контур, но в данном случае моделируется поведение металлоконструкции относительно ребра оп-
рокидывания, поэтому защемление проходит по ребру, т. е. через точки В и С; Э - дополнительное граничное условие, представленное распределенной нагрузкой на раму установки, численно равное массе балласта, навесного оборудования и т. д.
Рис. 1. Случай с нормальным опорным контуром (расчетная схема):
А - точка приложения нагрузки Р по оси у, перпендикулярно опорной поверхности крана; ВиС - защемленныеучастки конструкции
Для выполнения построения КЭ сетки и расчетов введено достаточно данных, положение центра масс, масса конструкции и т. д. учитываются автоматически, поэтому создание дополнительных условий не требуется [3].
После проведенных вычислений информация для дальнейшего анализа представляется в графическом виде. В современных программных комплексах конечно-элементного анализа существует возможность получения информации о напряжениях, деформациях ит. д. В данном случае представлена информация о деформациях и перемещениях в металлоконструкции мобильного крана (рис. 2).
Тонкими линиями представлена модель до нагружения. Из полученных данных видно, что максимальные перемещения элементов конст-рукции приходятся на аутригеры, расположенные за ребром опрокидывания.
Из этого следует, что при максимальной высоте подъема и максимальном вылете стрелы опрокидывание крановой установки относительно
ребра происходит в сторону удерживающего момента. То есть при соблюдении всех правил и норм безопасности, а также при условии нормального функционирования ограничителей грузоподъемности и прочих приборов безопасности вероятность опрокидывания крана равна нулю.
Рис. 2. Случай с нормальным опорным контуром (деформация
металлоконструкции)
Так как мобильные грузоподъемные машины являются универсальными средствами перемещения грузов, их эксплуатация ведется в заранее не известных условиях, поэтому усложним задачу.
Как правило, при работе крана максимально нагружены три опоры, четвертая частично разгружается.
В процессе вращения поворотной платформы при строго диаго-нальном расположении стрелы в течение определенного промежутка времени опирание установки осуществляется только на две диагональные опоры. Приращение потенциальной энергии, получаемое в процессе качения крановой установки вокруг оси, проходящей через эти опоры, преобразуется в кинетическую энергию удара оголовка штока гидроцилиндра о подпятник, вследствие чего происходит внедрение опорной плиты в грунт.
Циклически повторяющийся процесс внедрения вызывает просадку диагонально расположенных опор, что влечет за собой увеличение угла наклона платформы и, следовательно, снижает восстанавливающий момент крановой установки.
Создадим условие, при котором одну из опор искусственно «провалим», имитируя просадку, тем самым ребро опрокидывания переместится из крайнего положения, как в случае, описанном выше, в положение по диагонали.
Представим расчетную схему для случаев с максимальным вылетом и максимальной высотой подъема (рис. 3).
Рис. 3. Случай с нарушенным трехопорным контуром (расчетная
схема)
В данной расчетной схеме ребро опрокидывания будет проходить через точки В и С; А - точка приложения нагрузки Р по оси у; Б - дополнительная нагрузка на раму; Е - искусственно созданное ограничение имитирующее просадку опоры.
После проведенных вычислений получаем следующие результаты: для случая с максимальным грузом при максимальной высоте подъема в результате просадки опоры крен установки в сторону опрокидывающего момента составил 3012'', что больше угла регламентированного правилами безопасности и ГОСТ 13994-75 (рис. 4).
Дальнейшая просадка опоры приведет к опрокидыванию крана. Для максимального вылета стрелы угол крена не превысил допустимый в 3 .
Рис. 4. Случай с нарушенным трехопорным контуром (деформация
металлоконструкции)
Также отметим, что все вычисления проводились при статическом нагружении, это справедливо т. к. скорости подъема и опускания груза малы. При перемещении стрелы в сторону нарушенного опорного контура вследствие просевшей опоры, вероятность опрокидывания мобильного крана возрастает за счет изменения характера нагружения.
Другими словами, статическое нагружение от веса поднимаемого груза трансформируется в динамическое. В случае, если возможная просадка приведет к отклонению опорного контура крана от горизонтали на угол, превышающий запас устойчивости, работа в данном положении должна быть прекращена.
Создание системы автоматического прогнозирования просадки грунта является необходимым условием надежной и корректной работы устройства управления устойчивостью мобильных кранов. Она может не являться отдельным устройством, а входить в состав общей системы управления в виде дополнительного программного обеспечения бортового процессора, используя общую информацию, поступающую с датчиков.
Таким образом, по результатам проведенного анализа очевидно то, что использование ограничителей грузоподъемности, работающих в индикаторном режиме (предупреждение - отключение), для обеспечения безопасной работы мобильного крана недостаточно. Необходима разработка новых систем безопасности, совмещающих функции и контроля за исполнительными органами и управления рабочими операциями.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, государственный контракт№ 14.740.11.0983 от 05.05.2011 г.
Список литературы
1. Редькин А. В. Методы обеспечения динамической устойчивости мобильных грузоподъемных машин // Автоматизация и современные технологии: 2004. № 9.
2. Козлов М. В. Устойчивость мобильных грузоподъемных машин при ненормируемых внешних воздействиях. Тула, 2006. 147 с.
3. БасовК. A. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.
V. Obydenov, V. Anzev, P. Sorokin, A. Mishin
RESEARCH OF STABILITY OF MOBILE LOAD-LIFTING CARS BY THE METHOD OF FINAL ELEMENTS
Cases of influence of change of a basic contour of the load-lifting car in the course of performance of working operations in in advance uncertain conditions on behavior metal construction with use of a method offinal elements are considered.
Key words: mobile load-lifting cars, a basic contour, a method of final elements, metal construction.
Получено 10.03.10
