CC BY
96
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ. ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 621.87:681.5
КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
МОСТОВЫХ КРАНОВ
Н. С. Галдин, С. В. Ерёмина, О. В. Курбацкая
Аннотация. Приведены основные сведения об общих принципах выбора критериев эффективности основных механизмов мостовых кранов.
Ключевые слова: мостовой кран, механизмы, критерии эффективности.
Введение
Краны мостового типа являются одними из наиболее универсальных средств механизации монтажных и погрузочно-разгрузочных работ на промышленных предприятиях. Поэтому важное значение имеет создание принципиально новых мостовых кранов, а также
совершенствование существующих мостовых кранов, внедрение новых, более прогрессивных решений, направленное на повышение их основных параметров: грузоподъемности; производительности и точности выполнения работ; расширение номенклатуры по грузоподъемности; использование различных видов приводов; улучшение их технических характеристик и качества [1 - 5, 7, 10].
Критерии эффективности мостовых кранов
Проектирование мостовых кранов, при котором необходимо рассматривать большое число вариантов конструкций, параметров, изменять и уточнять математическую модель, представляет процесс, включающий синтез структуры объекта, выбор параметров элементов, исследование математической модели, анализ результатов и принятие решения [3].
От эффективности работы механизмов кранов зависит их производительность, безопасность производства работ, надежность крана в целом. При инженерном проектировании решается обычно задача обеспечения кинематики, мощности привода, прочности и надежности, однако на современной стадии развития науки и техники ставится задача оптимального проектирования основных механизмов крана. Вариантное проектирование и оптимизация
позволяют решать целый ряд вопросов: создание рациональных конструктивных схем, определение оптимальных значений их геометрических параметров и размеров отдельных элементов, получение крановых механизмов с наилучшими технико-экономическими показателями.
Создание любого объекта включает следующие стадии: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, разработка рабочей документации.
Проектирование начинается с разработки технического задания, тщательного анализа возможных решений. Затем создается математическая модель разрабатываемого объекта (процесса). Построив
математическую модель, приступают к ее исследованию, изучению ее свойств, стремясь выяснить, в какой мере разработанный объект соответствует своему назначению. В целом для процесса проектирования характерна итерационная цикличность, причем на некоторых этапах приходится выполнять большие объемы самых разнообразных вычислений.
Проектирование мостового крана, выбор конструктивной схемы мостового крана, основных его механизмов производят с учетом многих факторов:
- требований нормативно-технических документов;
- совершенства компоновочной схемы мостового крана;
- совершенства компоновочной схемы механизма передвижения крана;
- совершенства компоновочной схемы механизма передвижения грузовой тележки крана;
- совершенства компоновочных схем механизмов подъема груза крана;
- совершенства кинематических схем механизмов передвижения;
- совершенства кинематических схем механизмов подъема грузов;
- рациональных силовых схем нагружения металлоконструкции крана для обеспечения необходимой прочности и жесткости (статической и динамической) металлоконструкции;
- рациональных (минимальных, ограниченных) габаритов;
- минимальной металлоемкости (минимально возможной массы);
- высокой надежности эксплуатации;
- долговечности эксплуатации;
- уменьшение длительности цикла работы крана;
- уменьшение колебаний груза при его перемещении;
- минимизации усилий натяжений канатов (влияют на повышение надежности и долговечности эксплуатации);
- оптимизации режимов движения крана и его механизмов (влияют на повышение надежности, долговечности эксплуатации и производительности);
- повышение производительности работы крана;
- минимальных энергетических показателей (снижение энерговооруженности);
- высокой технологичности изготовления и монтажа;
- удобства обслуживания;
- степени агрегатности;
- выбора аппаратуры управления и защиты;
- типа привода основных механизмов (электрический, электро-механический, гидравлический);
- технико-экономических показателей (экономической эффективности инвестиций в новые технические решения, технологии) и т.д.
При решении задач проектирования требуется не только осуществление автоматизации, но и выбор оптимального решения [3, 6, 8, 9].
В общей постановке системная модель мостового крана характеризуется [3]: совокупностью определяющих проект требований (внешние параметры) -У1,У2,—,ут ; совокупностью параметров, определяющих проект (внутренние параметры) - х\,Х2,...,хп ; целевой функцией (критерием или критериями качества),
позволяющей выбирать среди
альтернативных проектов лучший, обеспечивающий экстремальное значение целевой функции.
Формирование математической модели проекта предполагает:
- получение уравнений связи внутренних и внешних параметров
У1 =у(ч, хп);
У2 =у (хЪ x2,■■■, хп); (1)
Ут = У (хЬ x2,■■■, хп); - наложение ограничений на значения внешних параметров, т.е. учет требований:
Ф1( У1, У2,■■■, Ут =, У1];
Ф2(УЬ У2,■■■, Ут Ж = ^}[У2]; (2)
Фт (У1, У2,■■■, Ут Ж = Ут]; - наложение ограничений на внутренние параметры:
У1(х1, л^,—, хп =
W2(x1,x2,■■■,хпЖ=^ [х2]; (3)
Уп(х1> x2,■■■, хп Ж=хп I
Однако создать конструкцию мостового крана, полностью отвечающую всем предъявляемым ей требованиям очень сложно. Это обусловлено противоречивостью выдвигаемых требований. Например, требования минимальных габаритов и металлоемкости противоречат требованиям удобства обслуживания. Требование обеспечения необходимой прочности и жесткости металлоконструкции противоречит требованию минимальной массы
(металлоемкости). В таких случаях находят компромиссное решение, поступаясь некоторыми требованиями, не имеющими в конкретных условиях первостепенного значения [7].
При конструировании крана, выборе компоновочной схемы крана и его механизмов передвижения и подъема груза применяется метод агрегатирования, который заключается в использовании унифицированных изделий, сборочных единиц и агрегатов, обладающих геометрической (габаритной) и
функциональностью взаимозаменяемостью. При этом широко применяют такие разработанные унифицированные
конструктивные изделия, как электродвигатели, редукторы, тормоза, ходовые колеса, крюковые подвески и другие, позволяющие создавать из
этих комплектующих изделий механизмы с требуемыми характеристиками.
Унификация конструктивных элементов дает значительный эффект: сокращаются сроки и стоимость проектирования и изготовления крана, упрощается
обслуживание и ремонт.
Габариты, масса, работоспособность конструкции мостового крана зависят от заложенной в его конструкции силовой схемы, которая должна быть рациональной. Под рациональной понимается схема, в которой действующие силы взаимно уравновешены различными элементами, работающими в основном на растяжение,
сжатие или кручение. Например, при компоновке грузовой тележки крана стремятся к равномерному распределению нагрузок на колеса [7].
Состав одновременно учитываемых требований к мостовым крана, их механизмам и узлам весьма обширен и разнообразен, поэтому задачи оптимального проектирования мостовых кранов - это, как правило, многокритериальные задачи.
Одна из центральных задач определения оптимального проектного решения мостового крана и его механизмов - выбор критерия оптимальности (таблица 1).
Таблица 1 — Показатели эффективности мостового крана и его механизмов
Наименование показателей Формула для определения Критерии оптимизации (эффективности) Условия применения
Мостовой кран
Приведенные удельные затраты Zуд = ш, где Z - годовые приведенные затраты, руб.; П - годовая эксплуатационная производительность крана Zуд = Z/П — тт Интегральная оценка технико-экономической эффективности крана
Компоновочная схема мостового крана (КСМК) КСМК ^ opt Оценка конструктивного совершенства мостового крана
Силовая схема нагружения крана (ССНК) ССНК ^ opt
Производительность крана П П ^ тах
Длительность цикла работы крана ТцРК ^ тт
Металлоемкость МК ^ тт
Надежность НК ^ тах
Энерговооруженность ЭК ^ тт
Габариты ГБК ^ тт
Механизм передвижения
Компоновочная схема механизма передвижения (КСМП) КСМП ^ opt
Силовая схема нагружения (ССНМП) ССНМП ^ opt
Металлоемкость Мкмп ^ тт
Надежность Нкмп ^ тах
КПД л = N N 1 пол/ потр ц ^ тах
Длительность цикла работы ТЦМП ^ ™п
Механизм подъема груза
Компоновочная схема механизма подъема груза (КСМПГ) КСМПГ ^ opt
Металлоемкость МКМПГ ^ ™п
Продолжение Таблицы 1
Надежность НКМПГ ^ тах
КПД л- N N 1 пол/ потр Л ^ max
Длительность цикла работы ТЦМПГ ^ ™п
Период колебания груза ТКГР ^ тт
Усилие натяжения канатов FНК ^ тт
Существенный вклад в теорию оптимального проектирования механизмов передвижения кранов на рельсовом ходу внес А. П. Кобзев. В качестве критерия оптимального
проектирования механизма передвижения в работах А. П. Кобзева использовались приведенные затраты, которые, главным образом, зависят от конструктивного исполнения механизма передвижения: затраты на электродвигатели; затраты на комплектующие приводов; подкрановые рельсы; затраты на материалы; изготовление и монтаж балансирных балок; затраты на ходовые колеса и на производство демонтажно-монтажных работ по их замене за срок службы крана.
Составляющие приведенных затрат выражены через массы комплектующих единиц и их удельные стоимости. С учетом дрейфа цен на комплектующие предложено рассматривать приведенные затраты в безразмерном виде. Приведенные затраты в безразмерном виде определяются делением составляющих затрат рассматриваемого варианта компоновки на соответствующие затраты базового варианта компоновки механизма передвижения. Для учета соотношений удельных цен единицы масс составляющих затрат, а также для введения предпочтительности какой-либо из составляющих приведенных затрат по условиям завода-изготовителя,
проектирующей организации или отрасли в целом введены весовые коэффициенты.
Целевая функция оптимального проектирования механизмов передвижения представлена в виде:
Г - к + к + к
Гпр_кД^ + кТР ^ + кМ
в
Дб
в»
(4)
+ кТ-^ + кб-^ + кК 2т + кР-^
1 /-1 б /-ч К /-ч Р /-ч
вТб вбб вкб вРб
где kд, ^р , kм, ^, kб, kк, kp - весовые
коэффициенты стоимости двигателей, трансмиссии, муфт, тормозов, балансиров, ходовых колес, подкрановых рельсов;
GДi,GТРi, GМi,^, ^,^,^- массы двигателя, трансмиссии, муфты, тормоза, конструкции балансиров, ходового колеса, подкрановых рельсов рассматриваемого нго варианта компоновки механизма
передвижения;
GДб, ^Рб, ^б, ^б, Gбб, ^б, GРб -массы двигателя, трансмиссии, муфты, тормоза, конструкции балансиров, ходового колеса, подкрановых рельсов базового варианта компоновки механизма
передвижения;
m - число замен колес за срок эксплуатации крана.
Каждой из перечисленных целей оптимального проектирования соответствует свой критерий оптимальности: энергоемкость, производительность, металлоемкость, КПД, надежность и другие. В зависимости от условий применения и назначения мостового крана тот или иной критерий оптимальности может быть определяющим. Критерии оптимальности могут быть заданы либо аналитическим выражением, либо функционалом, либо замкнутым алгоритмом определения.
Решение инженерных задач оптимизации невозможно без применения ЭВМ, т.е. без автоматизации проектирования. Для автоматизированного проектирования
характерны рациональное распределение функций между человеком и компьютером и обоснованный выбор моделей и методов для автоматизированных процедур [6, 8, 9].
Проектирование мостового крана, являющегося сложной динамической системой, представляет собой итерационный процесс, связанный с последовательным улучшением системы, принятием уточняющих конструктивных решений. Каждый цикл включает в себя анализ эффективности объекта проектирования, оценки влияния на него характеристик элементов системы и ограничений.
Выводы
Повышение эффективности мостовых кранов во многом определяется условиями применения и назначения мостового крана,
+
выбором того или иного критерия эффективности, выбором оптимальных конструктивных, энергетических и рабочих параметров мостовых кранов.
Библиографический список
1. Александров М. П. Подъемно-транспортные машины: Учеб. для машиностроит. спец. вузов / М. П. Александров. - М.: Высш. шк., 1985. - 520 с.
2. Галдин Н. С., Курбацкая С. В., Курбацкая О. В. Математическое моделирование силы сопротивления передвижению мостового крана // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж: ВГТУ, 2013. - Том 9, № 3-1. - С. 116 - 119.
3. Галдин Н. С., Курбацкая С. В., Курбацкая О. В. Особенности проектирования основных механизмов мостовых кранов // Вестник СибАДИ. -Омск: СибАДИ, 2012. - № 5 (27). - С. 21 - 25.
4. Галдин Н. С., Ерёмина С. В., Курбацкая О. В. Определение энергетических характеристик основных механизмов мостовых кранов // Вестник СибАДИ. -Омск: СибАДИ, 2013. - № 2 (30). - С. 12 - 17.
5. Гохберг М. М. Справочник по кранам: В 2 т. Т. 2. Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов /М.П. Александров, М. М. Гохберг, А. А. Ковин и др.; Под общ. ред. М. М. Гохберга. - М.: Машиностроение,
1988. - 559 с.
6. Керимов З. Г. Автоматизированное проектирование конструкций / З. Г. Керимов, С. А. Багиров. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.
7. Курсовое проектирование грузоподъемных машин / С. А. Казак, В. Е. Дусье, Е. С.Кузнецов и др.: Под ред. С. А. Казака. - М.: Высш. школа,
1989. - 319 с.
8. Матвеенко А. М. Проектирования гидравлических систем летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов / А. М. Матвеенко, И. И. Зверев. - М.: Машиностроение, 1982. - 296 с.
9. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И. П. Норенков. - М.: Высш. школа, 1980. - 311 с.
10. Ремизович Ю. В. Транспортно-технологические машины / Ю. В. Ремизович. -Омск: СибАДИ, 2011. - 160 с.
CRITERIA OF EFFICIENCY OF THE BASIC MECHANISMS OF BRIDGE CRANES
N. S. Galdin, S. V. Eremina, O. V. Kurbatskaya
The basic data on the general principles of a choice of criteria of efficiency of the basic mechanisms of bridge cranes are resulted
Keywords: Bridge crane, mechanisms, criteria of efficiency.
Bibliographic list
1. Aleksandrov M .P. Lifting machinery: Proc. for building equipmen. specials. Universities / M. P. Alexandrov. - M.: High. school, 1985. - 520.
2. Galdin N. S., Kurbatskaya S. V., Kurbatskaya O.V. Mathematical modeling of the force of resistance to movement of the bridge crane // Vestnik of Voronezh state technical University. - Voronezh: VGTU, 2013. - Volume 9, № 3-1. - Page 116 - 119.
3. Galdin N. S., Kurbatskaya S. V., Kurbatskaya O.V. Design features of the basic mechanisms of bridge cranes // Vestnik SibADI. - Omsk: SibADI, 2012. - № 5 (27). - Page 21 - 25.
4. Galdin N. S., Eremina S. V., Kurbatskaya O. V. Definition of the energy characteristics of the basic mechanisms of bridge cranes // Vestnik SibADI. -Omsk: SibADI, 2013. - № 2 (30). - Page 12 - 17.
5. Gokhberg M. M. Reference book on cranes: In 2 t. T. 2 . Characteristics and constructive schemes of cranes. Crane mechanisms, their parts and components. Technical operation of cranes / M.P. Alexandrov, M.M. Gokhberg, A.A. Kovin, etc.; Under a general edition of M. M. Gokhberg. - M.: Mechanical engineering, 1988. - 559.
6. Kerimov Z. G. Computer-aided design of structures / Z. G. Kerimov, S. A. Bagirov. - M.: Mechanical Engineering, 1985. - 224.
7. Course design of hoisting machines / S. A. Kazak, V. E. Duse, E. S. Kuznetsov, eta: Ed. by S.A. Kazaka. - M.: Higher. School, 1989. - 319.
8. Matveenko A. M. Design of hydraulic systems of aircraft: Textbook for aviation universities / A.M. Matvienko, I.I. Zverev. - M.: Mechanical Engineering, 1982. - 296.
9. Norenkov I. P. Introduction of the automated designing of engineering devices and systems / I.P. Norenkov. - M.: The High. school, 1980. - 311.
10. Remizovich Y.V. Transport and technological machines / Y.V. Remizovich. - Omsk: SibADI, 2011. - 160.
Галдин Николай Семенович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной
академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - теория и проектирование технических систем. Имеет более 220 опубликованных работ. E-mail:
galdin_ns@sibadi. org.
Ерёмина Светлана Владимировна - инженер кафедры «Компьютерные информационные автоматизированные системы» Сибирской государственной автомобильно-дорожной
академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование систем. Имеет около 20 опубликованных работ.
Курбацкая Ольга Владимировна - инженер кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной
академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование систем. Имеет около 20 опубликованных работ.
