CC BY
82
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22
МАШИНОБУДУВАННЯ ТА МЕТАЛООБРОБКА
УДК 621.875
Суглобов В.В.1, Михеев В.А.2, Тищенко Е.В.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТРЕЛЫ И ХОБОТА ШАРНИРНО - СОЧЛЕННЕННОЙ СТРЕЛОВОЙ СИСТЕМЫ ПОРТАЛЬНОГО КРАНА
Предложены практические рекомендации по определению геометрических параметров стрелы и хобота шарнирно - сочленённой стреловой системы портального крана с использованием программного пакета Mathcad 14.
Ключевые слова: портальный кран, стреловая система, стрела, хобот, вылет стрелы, высота подъёма груза.
Суглобов В.В., Міхєєв В.А., Тищенко К.В., Визначення геометричних параметрів стріли та хоботу шарнірно - зчленованої стрілової системи портального крана. Запропоновано практичні рекомендації з визначення геометричних параметрів стріли та хоботу шарнірно - зчленованої стрілової системи портального крана з використанням програмного пакета Mathcad 14.
Ключові слова: портальний кран, стрілова система, стріла, хобот, виліт стріли, висота підйому вантажу.
V. V. Suglobov, V.A. Mikheev, E. V. Tishchenko. Determination of geometric parameters of the boom and trunk hinge - articulated boom portal crane system. Practical recommendations for the definition of geometric parameters of the boom and trunk hinge -articulated boom portal crane system using the software package Mathcad 14.
Keywords: portal cranes, boom system, boom, trunk, boom, lift cargo.
Постановка проблемы. В структуре грузооборота морских и речных портов Украины очевидна потребность в эффективных, надёжных, универсальных грузоподъёмных машинах, а именно - в портальных кранах, которые являются одними из наиболее распространённых средств механизации, выполняющих до 70 % объёма погрузо - разгрузочных работ.
Существенное влияние на конструктивные и эксплуатационные свойства портальных кранов оказывает тип стреловой системы. Анализ известных стреловых устройств показывает, что наибольшее распространение получили шарнирно-сочленённые стреловые системы (ШСС) с прямым хоботом и жёсткой оттяжкой. Определение конструктивных параметров этих систем является важной и достаточно сложной задачей при их проектировании.
Анализ последних исследований и публикаций. Научно - практические аспекты определения конструктивных параметров ШСС исследованы во многих научных работах. Весомый вклад в решение этой проблемы внесли А.И. Дукельский, Б.Е. Горский, М.М. Гохберг, Г.П. Ксюнин, А.Г. Ланг, В.П. Мисюра, В.А. Михеев, П.З. Петухов, Л.Г. Серлин, В.И. Стрелов. По мнению ученых, конструктивные параметры ШСС нельзя рассчитывать приближенно, так как неточности расчёта не компенсируют друг друга, а накладываясь одна на другую, в несколько раз увеличивают допущенную погрешность.
Известные методы расчёта [1, 2, 3] геометрических параметров ШСС портальных кранов имеют ряд недостатков.
Так, графические методы требуют неоднократного построения кинематической схемы ШСС для подбора её геометрических параметров, что увеличивает трудоёмкость изготовления портальных кранов.
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
3 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
177
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22
Основными недостатками графоаналитических методов является многократное графическое построение ШСС с использованием аналитических уравнений, которые получены в неявно выраженном виде. Решение этих уравнений выполняется путём подбора определяемого параметра, что снижает точность расчётов.
Аналитические методы выполняются «ручным» способом [2], что так же достаточно трудоёмко. При получении неудовлетворительных результатов необходимо повторять расчёт до удовлетворения заданных требований к стреловой системе портального крана [3].
Перечисленные методы не позволяют автоматизировать процесс проектирования с использованием ЭВМ [4]. Поэтому наиболее перспективным и рациональным методом является автоматизированный синтез параметров стреловых систем [5], позволяющий оптимизировать параметры ШСС по критериям металлоёмкости, энергоёмкости, маневренности, надёжности, экономичности с высокой точностью при минимальных затратах времени. Однако данный метод [5] не даёт рекомендаций по выбору входных данных для автоматизированного проектирования ШСС, что усложняет определение её геометрических параметров.
Цель статьи - упрощение методики определения геометрических параметров стрелы и хобота как входных данных для автоматизированного проектирования конкретной стреловой системы по методу [5].
Изложение основного материала. При проектировании стреловой системы (рис. 1) портального крана общепринятым является следующий набор исходных данных: максимальный рабочий вылет стрелы - Lmax; минимальный рабочий вылет стрелы - Lmin; высота подъёма груза- Нп; высота конца хобота над осью качания стрелы - Н; расстояние от оси вращения колонны до точки крепления стрелы - d принимают равным 1,5 - 2 м.
Рис. 1 - Кинематическая схема шарнирно - сочленённой стреловой системы (ШСС) портального крана: 1 - стрела; 2 - хобот; 3 - оттяжка
178
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22
Важным этапом процесса проектирования конкретной стреловой системы является определение исходных геометрических параметров стрелы и хобота, которые принимаются как входные данные при автоматизированном синтезе стреловой системы.
Рекомендации по определению геометрических параметров стрелы и хобота, приведенные в работах [3, 6], достаточно громоздки для вычислений, что усложняет процесс проектирования.
При комппоновке кинематической схемы ШСС диапазон изменений геометрических параметров её элементов достаточно велик, что затрудняет работу по принятию параметров стрелы и хобота. Использование представленных в данной работе зависимостей и графиков облегчает выбор входных данных для автоматизированного проектирования конкретной стреловой системы.
Исследование параметров ШСС (рис. 1) целесообразно проводить в относительных единицах.
Введем следующие обозначения:
P =
L„
(1)
где Нп - высота подъёма груза;
Lma - максимальный вылет стрелы.
По условиям компоновки принимаем Нп ~ 2Н.
P2
4 4 ’
где Ln - длина переднего плеча хобота; Lc - длина стрелы.
_ 4
P 4
L.
L.
(2)
(3)
(4)
В связи с тем, что расстояние от оси вращения колонны до точки крепления стрелы d является постоянной величиной, то на основании известных методов расчёта стреловых систем [3], параметры ШСС (рис. 1) могут быть описаны с помощью следующих выражений:
H = L • sinw - L • sin a, (5)
где Н - высота конца хобота над осью качания стрелы.
Lmax — Lc ^ COsW + 4 • COsa; (6)
T H • (sin a - sin ф) c _ . n • • • ; sin В • sin a - sin w • sin ф (7)
T H • (sin w - sin В) -4/ — , n • n • 7 sin В • sin a - sin w • sin ф (8)
где а, ф - углы наклона хобота при максимальном вылете и минимальном вылете стрелы соответственно;
в, ¥ - углы наклона стрелы при максимальном вылете и минимальном вылете стрелы соответственно.
Для исследования влияния максимального вылета на основные геометрические параметры ШСС разработана программа построения графиков зависимостей p3 = f (pi), p4 =f (pi) с помощью программного пакета Matchcad 14.
Подставляя в выражение (2) значения Lc, Ln из (7), (8), получим:
sin w - sin В
P 2 =------:—. (9)
sin a- sin ф
На основании равенства левых частей уравнений (2) и (9), получим следующее выражение:
179
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22
Ln sin у - sin р Lc sin a- sin^
Подставляя в выражение (3) значение Lmax из (6), получим:
Рз
L
Lc • cos^ + Ln • cosa
(10)
(11)
После подстановки значения Lc из (10) в (11), выражение примет следующий вид:
L
Рз =--:----:--n---------. (12)
т sin a - sin ф т
Ln-------cosw + Ln ■ cosa
nn
sin у - sin р
Выполнив соответствующие математические преобразования выражения (12), получим:
sin у - sin р
Р3 =-------
cos у (sin a - sin ф) + cos a (sin у - sin P) Подставляя в выражение (4) значение Lmax из (6), получим:
(13)
L
Р4 =L + Т
Lc • cos у + Ln • cos a
После подстановки значения Ln из (10) в (14), выражение примет следующий вид:
(14)
Р
L
4 • • д
т т Sinу - sin P
Lc • cosу + Lc ■ —-;---cosa
(15)
sin a- sin ф
Выполнив соответствующие математические преобразования выражения (15), получим:
sina- sin®
Р4 =-----------------------------------. (16)
cos у (sin a- sin ф) + cos a (sin у - sin P)
С другой стороны, р3 и р4 можно выразить через параметр рь
С учетом требований компоновки Нп ~ 2Н, подставляя в (1) выражение (3) и выражение (4), соответственно получим:
Р3
Р1
Ln . 2 • H ’
(17)
Р 4
Р1
Lc
2 • H
(18)
Подставляя в выражение (17) значение Ln из (8), а в выражение (18) значение Lc из (7), получим:
Р3
Ра
Р1
Р1
(sin у - sin P)
2(sin р • sin a - sin у • sin ф) ’ sin a- sin ф
2(sin P • sin a - sin у • sin ф)
(19)
(20)
Исходя из рекомендаций, представленных в источниках [3], [6], представим в табл. 1 диапазоны изменения углов а, ф, ¥, ф.
Зная диапазоны изменения углов (табл. 1) и используя выражения (13), (16), (19), (20), можно ра^читать при помощи программного пакета Mathcad 14 значения относительных параметров рь р3, р4 и построить графики приведенных зависимостей.
Соответствующие графики p3 = f (pi) и р4 = f (pi) представлены на рис. 2.
180
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22
На основании приведенных зависимостей и графиков, можно определить основные геометрические параметры стрелы и хобота - Ln и Lc.
Таблица 1
Рекомендуемые диапазоны изменения углов а, ф, ¥, в
Обозначение Минимальное Максимальное
угла значение угла значение угла
а 10° 35°
ф 70° 85°
¥ 30° 45°
в 70° 80°
Рис. 2 - График зависимостей р3 =f (p1), р4 = f (p1) : p1 - отношение высоты подъёма груза к максимальному вылету стрелы; р3 - отношение длины переднего плеча хобота к максимальному вылету стрелы; р4 - отношение длины стрелы к её максимальному вылету
В качестве примера рассмотрим:
а) портальный кран КПП - 40-36-10,5 с высотой подъёма груза Нп мальным вылетом стрелы Lmax = 36 м.
Из уравнения (1):
Hn 18
Р =—^ = —= 0,5. L 36
18 м и макси-
Относительные парметры р3 и р4 определяем по графикам зависимостей р3 =f (р1) и р4 = f (рО (рис. 2). При р1 =0,5 - р3=0,35, р4=1.
Подставив в уравнения (3) и (5) полученные значения р3 и р4, определяем длину переднего плеча хобота длину переднего плеча хобота Ln = 12,6 м и длину стрелы Lc = 36 м.
б) портальный кран КПП - 16-36-10,5 с высотой подъёма груза Нп = 25 м и максимальным вылетом стрелы Lmax = 36 м.
Из уравнения (1):
Р1 =
И„
L,.
— = 0,694. 36
181
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22
Относительные парметры р3 и р4 определяем по графикам зависимостей р3 =f (р1) и р4 = f (р1) (рис. 2). При р1 =0,694 - р3=0,26, р4=1,22.
Подставив в уравнения (3) и (5) полученные значения р3 и р4,, определяем длину
переднего плеча хобота длину переднего плеча хобота Ln = 9,36 м и длину стрелы Lc = 43,92 м.
Полученные результаты геометрических параметров стрелы и хобота ШСС портального крана представим в табл. 2.
Таблица 2
Результаты определения геометрических параметров стрелы и хобота
Модель Исходные Полученные
крана данные геометрические параметры
Lmaxi м Нп, м Lc, м L^ м
КПП - 40-36-10,5 36 18 36 12,6
КПП - 16-36-10,5 36 25 43,92 9,36
Анализ проведённых исследований показывает, что длина переднего плеча хобота уменьшается, длина стрелы увеличивается с увеличением высоты подъёма груза. Кроме того, на основании приведенных в данной работе зависимостей установлено, что существенное влияние на геометрические параметры ШСС портального крана оказывает угол наклона стрелы и угол наклона хобота.
Выводы
1. Предложена упрощённая методика определения геометрических параметров стрелы и хобота как входных данных для автоматизированного проектирования ШСС по методу [5].
2. В работе представлено исследование геометрических параметров стрелы и хобота портального крана в виде наглядных графиков и зависимостей, что облегчает выбор входных данных для автоматизированного проектирования конкретной стреловой системы.
3. Результаты проведенных исследований могут служить основой для дальнейшей разработки программы оптимизации стреловой системы и системы уравновешивания кранов по критериям качества и функциональным ограничениям.
Список использованных источников
1. Дукельский А.И. Портовые грузоподъёмные машины / А.И. Дукельский - Л.: Транспорт, 1970. - 439 с.
2. Горский Б.Е. Шарнирно - сочленённые укосины портальных кранов / Б.Е. Горский - М.: Машгиз, 1965. - 185 с.
3. Стрелов В.И. Расчёт шарнирных стреловых систем портальных кранов / В.И. Стрелов -Калуга: Облиздат, 1998. - 188 с.
4. Михеев В.А., Власов В.Т. Специальные краны / В.А. Михеев, В.Т. Власов - Мариуполь: ПГТУ, 2004. - 424 с.
5. Мисюра В.П., Михеев В.А. Автоматизированный синтез параметров стреловых систем портальных кранов / В.П. Мисюра, В.А. Михеев // Підйомно - транспортна техніка: Зб. наук.пр. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. №4. - С. 8-12.
6. Петухов П.З., Ксюнин Г.П., Серлин Л.Г. Специальные краны: уч. Пособие / П.З. Петухов, Г.П. Ксюнин, Л.Г. Серлин - М: Машиностроение, 1985. - 239 с.
Рецензент: А.А. Ищенко
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 21.03.11.
182
