CC BY
15
УДК 621.86 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-3-171-178
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ХОДОВЫХ КОЛЕС ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ КРАНОВЫХ ПУТЕЙ
К.Ю. Крылов
Разработана математическая модель контактирования реборд ходовых колес грузоподъемных машин с боковой гранью головки кранового рельса. Разработана программа для ЭВМ, позволяющая прогнозировать долговечность ходовых колес грузоподъемных машин с учетом выявленных отклонений крановых путей от проектного ПВП, а также наличия перекоса осей ходовых колес грузоподъемных машин в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Разработан прототип диагностического комплекса для обследования крановых путей. Разработана методика выработки рекомендаций по повышению долговечности ходовых колес грузоподъемных машин на основе результатов комплексного обследования крановых путей
Ключевые слова: обследование, ходовое колесо, крановый путь, эксплуатация, долговечность, диагностика.
Опыт эксплуатации грузоподъемных машин различных типов показывает, что одними из их наименее надежных деталей являются ходовые колеса, срок службы которых составляет от 6 до 12 месяцев. Основной причиной отказов ходовых колес грузоподъемных машин является их износ, вызванный контактным взаимодействием между ходовыми колесами и крановыми рельсами. При проектировании грузоподъемных машин выполняют расчет ресурса их ходовых колес. В соответствии с этим расчетом ориентировочный срок службы ходовых колес должен составлять 4-12 лет в зависимости от режима работы грузоподъемных машин. Столь значительное расхождение между расчетным сроком службы и фактическим можно объяснить тем, что расчет выполняют для нормальных условий эксплуатации ходовых колес грузоподъемных машин и крановых путей, в которых контакт между ходовыми колесами и крановыми путями осуществляется по поверхности качения колеса.
В реальных условиях эксплуатации ходовые колеса грузоподъемных машин более чем в 90 % случаев изнашиваются не по поверхности катания, а по ребордам, что приводит к снижению их долговечности в несколько раз по сравнению с расчетной. Причем на износ реборд ходовых колес влияет значительное количество факторов, основными из которых являются различные отклонения крановых путей от проектного планово-высотного положения (ПВП).
Поэтому актуальной является научная задача разработки методики прогнозирования долговечности ходовых колес грузоподъемных машин, учитывающей отклонения крановых путей от проектного планово-высотного положения. Реализация данной методики позволит прогнозировать долговечность ходовых колес грузоподъемных машин с учетом выявленных отклонений и на этой основе принимать взвешенное решение о необходимости устранения тех или иных отклонений даже в тех в случаях, когда значение отклонения находится в пределах поля допуска, то есть является дефектом.
Решению задачи повышения долговечности ходовых колес грузоподъемных машин и вопросам контактного взаимодействия ходовых колес грузоподъемных машин и крановых путей было посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных авторов. Анализ этих исследований показывает, что в наибольшей степени проработанными являются те из них, которые связаны с повышением долговечности поверхности катания ходовых колес, поскольку они лучше поддаются аналитической оценке, а задача разработки аналитических выражений для описания меха-
низма изнашивания ходовых колес грузоподъемных машин по ребордам, поддающихся простому численному решению, до настоящего времени не нашла окончательного решения.
Для повышения долговечности ходовых колес грузоподъемных машин на основе учета степени влияния на долговечность отклонений крановых путей от проектного планово-высотного положения:
1) собраны, обработаны и проанализированы статистические данные об отказах ходовых колес грузоподъемных машин, а также о состоянии их крановых путей;
2) разработана математическая модель контактирования реборд ходовых колес грузоподъемных машин с боковой гранью головки кранового рельса;
3) разработана программа для ЭВМ, позволяющая прогнозировать долговечность ходовых колес грузоподъемных машин с учетом выявленных отклонений крановых путей от проектного ПВП, а также наличия перекоса осей ходовых колес грузоподъемных машин в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
4) создан диагностический комплекс, позволяющий осуществлять комплексное обследование крановых путей, включая планово-высотное положение, состояние стыковых и промежуточных скреплений;
5) разработана методика выработки рекомендаций по повышению долговечности ходовых колес грузоподъемных машин на основе результатов комплексного обследования крановых путей.
В рамках экспертной деятельности ООО «РИТЦ» были собраны и проанализированы статистические данные по результатам обследования 42 крановых путей мостовых кранов общей протяженностью 3659 м. Результаты анализа приведены в табл. 1 [1, 2]. Все выявленные дефекты были разделены на две группы - непосредственно влияющие на долговечность ходовых колес и непосредственно не влияющие на долговечность ходовых колес. Всего было выявлено 362 дефекта первой группы, т. е. в среднем на каждом объекте обнаружено 8,6 дефекта или с пересчетом на протяженность: каждые 10,1 погонных метров кранового пути имеют дефект, влияющий на износ кранового колеса.
Таблица 1
Результаты обработки статистических данных _по обследованию крановых путей_
Показатель Значение
Количество обследований 42
Общая протяженность крановых путей, м 3659
Дефекты, непосредственно влияющие на долговечность ходовых колес, в том числе: 361
Разность отметок головок рельсов в одном поперечном сечении, мм 32
Разность отметок головки рельса в соседних точках, мм 183
Сужение/расширение колеи, мм 117
Отклонение рельса о прямой линии, мм 0
Угол наклона рельса, град 0
Смещение торцов рельсов в стыке, мм 13
Зазор в стыке, мм 17
Дефекты, непосредственно не влияющие на долговечность ходовых колес 424
Разработка математической модели, описывающей процесс контактирования реборд ходовых колес грузоподъемных машин с боковой гранью головки кранового рельса учитывает случайные траекторию движения крана и колею кранового пути, перекос установки колеса в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При этом смоделированы масса поднимаемого груза и положение грузовой тележки [3, 4].
Условие сохранения работоспособности ходовым колесом имеет вид:
172
ЦК Фк ] (1)
ир <[Цр ]'
где Цк и Цр - текущие величины износа поверхности качения и реборды ходового колеса, [Цк ] и [Цр ] - предельные величины их износа, соответственно.
В свою очередь, износ поверхности качения и реборды за один цикл работы крана может быть рассчитан:
и К/ = кпп %/рК/пО/ (2)
Ц Р/ = кпп ^Р/РР^РшпО/ где кпп - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала ходового колеса; рю и рр/ - средние контактные напряжения на поверхности качения и реборде ходового колеса; ¿к/ и Ьр/ - путь трения поверхности качения и реборды за /-й цикл работы; /ра/- - средняя в единицу времени продолжительность контактирования реборды с боковой гранью головки рельса; по/ - количество оборотов, совершаемых ходовым колесом за /-й цикл работы грузоподъемной машины.
Средняя в единицу времени продолжительность контактирования реборды с боковой гранью головки рельса определяет долю цикла работы грузоподъемной машины, в которой осуществляется её движение при условии контакта реборды и головки рельса. Численно эта величина равна вероятности, что зазор а/ между ребордой и головкой рельса в г-м цикле работы грузоподъемной машины будет по каким-то причинам полностью выбран:
1ра/ = Р (а/ < 0), (3)
В свою очередь вероятность события (3) зависит, в основном, от двух других случайных событий - траектории движения грузоподъемной машины и сужения/расширения колеи кранового пути. Представляя траекторию движения грузоподъемной машины и сужение/расширение колеи в виде нормально распределенных величин, можно формулу (3) для /+1-го цикла работы грузоподъемной машины записать в следующем виде:
^Раг+1 = 0,5 + Ф0
М1 (Т)-М 2 (К))-1/2 (Ьрг - В + иР/) + ^
(4)
2 2
где М1 (Т), М2 (К), , ^2 - математические ожидания и дисперсии траектории движения грузоподъемной машины и её колеи; Ьр/ - расстояние между ребордами ходового колеса в г-м цикле работы грузоподъемной машины; Фо(...) - нормированная функция Лапласа.
Из опыта эксплуатации грузоподъемных машин также известно, что на долговечность реборд существенное влияние оказывает точность установки колес, называемая монтажным перекосом. Эту величину принято оценивать тангенсом угла перекоса колеса в горизонтальной плоскости . Наличие монтажного перекоса ходовых колес приводит к тому, что реборда с одной стороны сближается с головкой рельса, уменьшая тем самым зазор между ними. Пусть при обследовании у'-го ходового колеса был определен некоторый монтажный перекос у. Условно считая точку контакта приложенной к середине реборды, получим:
Щ = А+' , Дч,='у+ъА, (5)
Б/у/ 2 + Ир/ 2 Бу + Ьр 1 2
где А/ - сближение середины реборды у-го ходового колеса с головкой рельса в /-м
цикле работы грузоподъемной машины, вызванное монтажным перекосом колеса; О/у
и
- диаметр у-го ходового колеса в /-м цикле работы грузоподъемной машины; Ир - высота реборды.
Другим фактором, влияющим на сближение реборды ходового колеса и головки рельса, является наклон колеса в вертикальной плоскости, вызванный разностью отметок головок рельсов в поперечном направлении. Этот угол может быть найден по зависимости
gj =
arcsin
Г Mj ^
S
(6)
где АНу - разность высотных отметок левого и правого рельсов для ходовых колес, У
находящихся на одной оси; $ - пролет грузоподъемной машины. Тогда аналогично выражению (5)
2А2у . у (О,у + Нр) (7)
' = п +' ^ А2/У = о- , (7)
Оу + Нр 2
где А2/у - сближение середины реборды с головкой рельса у-го ходового колеса в /-м
цикле работы грузоподъемной машины, вызванное разностью отметок головок рельсов в поперечном направлении.
Суммарное сближение середины реборды с головкой рельса у-го ходового колеса в /-м цикле работы грузоподъемной машины, вызванное обоими перекосами составит
Dj = ^А+ А^2/j , (8)
Тогда итоговое выражение для расчета средней в единицу времени продолжительности контактирования реборды у-го колеса с боковой гранью головки рельса в /+1-м цикле работы грузоподъемной машины примет вид
tPai+1 j = 0,5 + Ф0
Mi (Т)-M 2 (К)-1/2 (bpi - B + Upi) - А
i+1j
Vs2 + 4
(9)
На основе расчетов по формуле (9) было установлено, что при наличии предельно допустимых значений отклонений крановых путей от проектного ПВП (Приложение Г ГОСТ Р 56944-2016) вероятность контакта реборды и колеса в i-м цикле работы грузоподъемной машины превышает 50 %. Этот факт является предметом для самостоятельного исследования в области нормативного регулирования.
Средние контактные напряжения на поверхности качения и реборде колеса зависят от вертикальной и горизонтальной нагрузок, действующих на ходовые колеса. Эти нагрузки, в свою очередь, изменяются в процессе работы грузоподъемной машины.
В работе определение вертикальной и горизонтальной нагрузок дано на примере мостового крана в зависимости от положения грузовой тележки и массы груза, поднимаемого в i-м цикле.
Для определения положения грузовой тележки в i-м цикле работы крана была использована рекомендуемая ВНИИПТМАШ гистограмма положений тележки. В соответствии с этой гистограммой мост крана условно разделен на пять частей, при этом вероятность нахождения тележки в I и V частях составляет 5 %, в II и IV частях - 25 %; в III части - 40 % соответственно (рис. 1).
Рис. 1. Гистограмма расположения грузовой тележки в процессе эксплуатации мостового крана, рекомендованная ВНИИПТМАШ
Масса груза, поднимаемого краном в /-м цикле может быть получена на основе данных регистратора параметров крана или (при его отсутствии) из типовых графиков нагружения для различных классов нагружения по ГОСТ 25546-82, выраженная в долях от номинальной грузоподъемности крана Qном.
Рис. 2. Моделирование массы поднимаемого груза
На основе выражений (1)-(9) с использованием метода Монте-Карло был разработан алгоритм моделирования износа поверхности качения и реборд ходовых колес грузоподъемной машины, что позволяет определять количество циклов работы грузоподъемной машины до достижения поверхностью качения и ребордой предельной величины износа и на этой основе рассчитывать долговечность (ресурс или срок службы) ходового колеса.
Полученный алгоритм был использован в составе программного обеспечения комплекса для обследования крановых путей с целью прогнозирования долговечности ходовых колес с учетом выявленных дефектов крановых путей. Исходными данными являются параметры грузоподъемной машины и кранового пути, а также результаты измерения отклонений кранового пути от проектного ПВП. Результатом работы программы является гистограмма распределения количества циклов работы грузоподъемной машины до наступления предельного износа её ходовых колес по ребордам и по поверхности качения (рис. 3) [5]. На основе анализа гистограммы возможно принятие взвешенного решения о необходимости устранения тех или иных отклонений даже в тех случаях, когда они находятся в пределах поля допуска, то есть не считаются дефектом.
Кроме того, разработанная программа автоматизирует процесс формирования заключения по результатам комплексного обследования кранового пути, что существенно сокращает время на камеральную обработку результатов.
Основным мероприятием для контроля технического состояния крановых путей является их комплексное обследование. Целью комплексного обследования является установление соответствия технического состояния крановых путей требованиям нормативно-технической документации.
Объектами комплексного обследования являются: направляющие, по которым перемещаются ходовые колеса; стыковые и промежуточные скрепления; элементы, передающие нагрузку от направляющих и промежуточных соединений на грунтовое основание; путевое оборудование; конструкции электроподвода.
ÉP Cale
Файл
Кол-во ход. колес: i :
Износ реборды. мм 0
Толщина реборды, мм: 20
Высота реборда, мм зо
Тип рельса: КР70 ní
Условия работы крана Закр помешен! v
Коэф. пропори-. 10е-8: 1
Износ колеса, мм 0
Диаметр колеса, мм: 700
Угол перекоса, град: 0
Расст. между ребордами 100
Состояние рельс: Загрузить
С Пролет крана м: 22.5
Режим нзгручсенир: Q1
Ном.гМ крана, т: ¿0
233
Скорость крзнз. м/с: Q5 Длина пут>1. м Масса крана, т: |2Q Мае« тележки. т: ^ База крана, м
4.2
Тип кранового пути: |Шп.на Рал п. v l'.n.'nr раб зоны. V.
эо
Кол-во прогонов:
100
Моделирование износа
65 63 71 74 77 30 83
Смоделировать
Мат. ожидание jj
Дисперсий: 14,8403 rfO
Рис. 3. Видеограмма программы моделирования износа реборд и поверхности качения ходового колеса
Анализ состава работ, выполняемых при комплексном обследовании крановых путей показывает, что актуальной является задача разработки мероприятий, направленных на повышение безопасности и производительности, а также снижение стоимости работ, связанных с обследованием крановых путей.
Решение этой задачи может быть достигнуто на основе применения автоматизированных комплексов, позволяющих осуществлять обследование крановых путей дистанционно. Известны несколько зарубежных комплексов, предназначенных для обследования крановых путей, например, ЬМБ, ЯаНО, ЛгйБ и др. Данные комплексы отсутствуют в открытой продаже. Кроме того, специфика технического состояния некоторых крановых путей в России обуславливает повышенные требования к устойчивости и проходимости подобных устройств, не предусмотренные разработчиками зарубежных комплексов.
Для обоснования состава контрольно-измерительного оборудования диагностического комплекса были использованы методы квалиметрической оценки. Оценка применимости оборудования была проведена для трех групп измерений: планово-высотная съемка, контроль стыков и промежуточных скреплений, контроль пройденного расстояния. Критериями оценки применимости типа оборудования для каждой рассматриваемой группы измерений были выбраны: длительность проведения измерений, длительность камеральной обработки результатов, точность, удобство проведения измерений, удобство камеральной обработки результатов, стоимость, возможность установки на ходовой раме автоматизированного комплекса, безопасность проведения измерительных работ. По итогам экспертной оценки для реализации планово-высотной съемки был выбран тахеометр, для определения состояния стыковых и промежуточных скреплений выбрана камера, а для контроля пройденного расстояния выбрана комбинация тахеометра и одометра (табл. 2) [6].
На конструкцию диагностического комплекса для обследования крановых путей получен патент на изобретение № 2672334 [7].
Выбор контролируемых параметров основывается на результатах анализа дефектов крановых путей, рассмотренных в рамках НИР.
При прохождении комплекса по крановому пути возникают его колебания, обусловленные динамикой перемещения и различными дефектами рельсов (износ головки рельса, наличие заусенцев, трещин, отметок проскальзывания крановых колес и т. д.). Эти колебания вносят погрешности в работу контрольно-измерительного оборудования. Кроме того, наличие значительных по величине дефектов стыков обуславливает вероятность застревания комплекса или падения его со значительной высоты. Для обеспечения устойчивости комплекса было разработано специальное устройство, на которое получен патент на полезную модель рег. № 187312 [8].
Таблица 2
Обоснование состава контрольно-измерительного оборудования _разрабатываемого комплекса _
Оборудование Оценка эксперта № (Я) п X У/ /=1 У В С/Ш
1 2 3 4 5 6 7
Лазер, экран-марка, одометр или иной измеритель расстояния 11 15 12 11 10 10 11 80 11,4 2,95 16,5
Тахеометр 15 13 12 14 15 15 15 99 14,1 1,48 21,3
Теодолит 13 6 8 8 10 10 12 67 9,6 5,95 11,9
Лазерный трекер 13 10 14 13 12 12 12 86 12,3 1,57 19,8
Нивелир, одометр или иной измеритель расстояния 9 11 7 10 8 8 9 62 8,86 1,81 16,4
Испытания диагностического комплекса были проведены на тестовом отрезке кранового пути длиной 24 м. Отклонения кранового пути от проектного, а также дефекты стыковых и промежуточных скреплений создавались перемещением рельсов на заранее заданное расстояние. По результатам испытаний была подтверждена точность работы комплекса.
Разработанные математические модели и алгоритмы, используемые в составе диагностического комплекса, позволят:
прогнозировать долговечность ходовых колес грузоподъемных машин колес с учетом выявленных отклонений крановых путей от проектного ПВП, а также наличие перекоса осей ходовых колес в горизонтальной и вертикальной плоскостях и на этой основе принимать взвешенное решение о необходимости устранения выявленных отклонений;
повысить безопасность проведения работ по комплексному обследованию крановых путей;
автоматизировать процесс камеральной обработки и оформления заключения по результатам комплексного обследования крановых путей и, тем самым, снизить его трудоемкость, что приведет к снижению себестоимости проведения работ без потери качества обследования.
Полученные результаты используются в деятельности ООО «Региональный инженерно-технический центр», г. Калуга, непосредственно при проведении обследований грузоподъемных кранов и крановых путей. Также результаты исследований используются при подготовке студентов специальности «Наземные транспортно-технологические средства» на кафедре «Подъемно-транспортные системы» Калужского филиала ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)».
Список литературы
1. Анцев В.Ю., Витчук П.В., Крылов К.Ю. Классификация дефектов и отказов грузоподъемных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 10. С. 121-128.
2. Витчук П.В., Шубин А.А., Крылов К.Ю. Классификация дефектов и отказов башенных и автомобильных кранов // Подъемно-транспортное дело. 2015. № 4-5. С. 38-41.
3. Определение дефектов крановых путей для проведения надежных испытаний комплекса их дистанционного обследования / П.В. Витчук, А. А. Шубин, В.Ю. Анцев, К.Ю. Крылов // Подъемно-транспортное дело. 2018. № 3-4. С. 25-37.
4. Прогнозирование долговечности крановых ходовых колес с учетом отклонений крановых путей от проектного положения / П. В. Витчук, А. А. Шубин, В. Ю. Анцев, К.Ю. Крылов // Подъемно-транспортное дело. 2019. № 5. С. 5-12.
5. Antsev V.Y., Vitchuk P.V., Krylov K.Y. Complex for Inspection of Crane Rails Design // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2020. P. 755-763. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-22063-1 81.
6. Выбор контрольно-измерительного оборудования комплекса для измерения дефектов крановых путей / В.Ю. Анцев, К.Ю. Крылов, П.В. Витчук, Н.А. Витчук // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 8. С. 230-239.
7. Патент 2672334 РФ. Устройство для контроля положения рельсового пути / К.Ю. Крылов, П.В. Витчук, А.А. Шубин, С В. Алферов. Опубл. 13.11.2018. Бюл. №32.
8. Патент 187312 РФ. Измерительная рельсовая двухколесная тележка / А.А. Шубин, П.В. Витчук, В.А. Ермоленко, В.Ю. Анцев, К.Ю. Крылов. Опубл. 01.03.2019. Бюл. №7.
Крылов Константин Юрьевич, эксперт в области промышленной безопасности, krylov@ril.c-k.ru, Россия, Калуга, ООО «Региональный инженерно-технический центр»
FORECASTING THE LIFETIME OF THE RUNNING WHEELS OF LIFTING MACHINES, TAKING INTO ACCOUNT THE DEFECTS OF THE CRANE TRACKS
K.Yu. Krylov
A mathematical model of contacting the wheel flanges of the running wheels of lifting machines with the side edge of the crane rail head has been developed. A computer software which allows to forecast the lifetime of running wheels of lifting machines taking into account identified deviations of crane tracks from the designed PVP, as well as misalignment of the axes of the running wheels of lifting machines in the horizontal and vertical planes has been developed. A prototype of a diagnostic complex for the examination of crane tracks has been developed. A methodology for recommendations development to improve the lifetime of the running wheels of lifting machines based on the results of a comprehensive survey of crane tracks has been developed.
Key words: inspection, crane wheel, crane track, service, longevity, diagnostic.
Krylov Konstantin Yurievich, expert of industrial safety, krylov@ritc-k. ru, Russia, Kaluga, JSC «Regional Engineering and Technical Center»
