CC BY
16УДК 621.01
А.С. Яблоков, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 Г.Г. Ермолаев, инженер-механик ООО «Ремсервис» А.В. Лаврухин, директор ООО «Ремсервис»
606000, Нижегородская область, г. Дзержинск, Восточный промрайон, «Капролактам», зд. 20
РЕКОНСТРУКЦИЯ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА ГРЕЙФЕРНОГО КРАНА НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ ПЛАВУЧЕГО КРАНА
Ключевые слова: многоцикловая усталость, эксперимент, поврежденность, материальные параметры, гидротрансформатор, насосное колесо, турбинное колесо, реакторное колесо, грейфер
В статье обсуждается проблема оценки долговечности металлоконструкций каркаса машинного отделения плавучего крана. Рассмотрены последствия явления «присоса» грейфера для плавучих кранов, занимающихся подводной добычей. Приведено решение проблемы - включение в привод механизма подъема гидротрансформатора, а также сформулированы требования к характеристикам и конструкции для такого гидротрансформатора.
Введение
При подводной добыче плавучими кранами в качестве грузозахватного органа используется грейфер. Механизм подъема и зачерпывания грейфера плавучего крана не отличается от механизма подъема портального крана, на котором при перегрузке сыпучих материалов также в качестве грузозахватного органа используется грейфер. Однако при работе грейфера в водонасыщенном материале под водой при его зачерпывании и подъеме возникают дополнительные гидростатические силы: «присоса», фильтрации, гидростатики и вязкостного течения материала в грейфере, зависящие от скорости зачерпывания материала и отрыва грейфера, что приводит к нагрузкам в канатах механизма подъема и металлоконструкции крана. Этот эффект, возникающий в краткий промежуток времени, может превышать на 50% допускаемые нагрузки на кран и является «пиковым» [1]. (рис. 1)
иПО - скорость навивки каната поддерживающей лебедки, иЗО - скорость навивки каната замыкающей лебедки, ü, ст2, ст3, а4 - напряжения в элементах металлоконструкции Рис. 1. Процессы в динамических системах крана КПЛ 16-30 при подъеме груженого грейфера
В настоящее время 90% плавучих кранов имеют срок эксплуатации от 15 лет и более, что делает проблематичным их использование при подводной добыче, так как их металлоконструкции изношены и не рассчитаны на подобные нагрузки (рис. 2).
Рис. 2. Характерные дефекты металлоконструкции и механизмов плавучих кранов
1. Оценка долговечности металлоконструкции плавучего крана КПЛ 5-30
Для оценки долговечности металлоконструкции плавучего крана КПЛ 5-30, был проведен расчет металлоконструкции каркаса машинного отделения плавучего крана КПЛ 5-30, зав. №2040, изготовленного в 1974 заводом «Теплоход» г. Бор. К настоящему времени плавучим краном было совершено 902467 циклов и перегружено 2256168 тонн (по данным организации-эксплуатанта). Материал металлоконструкции крана Ст3кп. Определение напряженно-деформируемого состояния плавучего крана выполнено в зависимости от условий работы крана:
1. Для первого случая расчета был выбран номинальный режим работы крана, соответствующий максимально допускаемой грузоподъемности - 5 тонн, предельной ветровой нагрузке рабочего состояния - скорость ветра 15 м/с, максимальной инерционной нагрузке и максимальному крену понтона - 3°.
2. Для второго случая выбран пиковый режим работы крана, этот режим возникает при работе грейфера в водонасыщенном материале под водой, при его зачерпывании и подъеме возникают дополнительные гидростатические силы: «присоса», фильтрации, гидростатики и вязкостного течения материала, зависящие от скорости зачерпывания материала и отрыва грейфера, что приводит к нагрузкам в канатах механизма подъема и металлоконструкции крана. Этот эффект возникает в краткий промежуток времени и может превышать на 30% допускаемые нагрузки на кран и является «пиковым».
Скорость подъема груза: о = 1,217 м/с, максимально поднимаемый вес груза Г = 63 кН. Для общего представления о характере деформирования каркаса и выявления местоположения узлов, критических с точки зрения долговечности, на первом этапе был проведен упругий расчет по расчетному коду [2].
Рис. 3. Модель каркаса машинного отделения плавучего крана
Физико-механические характеристики Ст3 были приняты следующими: модуль
упругости Юнга Е = 1.94 х 105 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,28, предел текучести аТ = 230 МПа, плотность р = 7820 кг/м3. Каркас моделировался в натуральную величину с соблюдением заданных характеристик и геометрических размеров. Каждое соединение было заменено на абсолютно жесткое - сварное. Моделирование опор каркаса также не проводилось, а в местах опирания каркаса на поворотный круг накладывались граничные условия, исключающие перемещение узлов во всех направлениях и их поворот в этих узлах. Исходя из сортаментов используемых профилей, идеализация конструкции каркаса на конечные элементы проводилась с использованием 8, 10, 20-узловых конечных элементов, симметричных в поперечном сечении.
Нагрузка, приходящаяся на основание подвижного противовеса:
F = XIRz 0 ;Rx о ] = 89645, [кН], 4
где RZ0,RX0 - реакции опор подвижного противовеса.
Принимаем, что действующая сила распределена по площади основания поверхности качения подвижного противовеса, где площадь основания равна:
Sn = 37700, [мм2]
Соответственно, величина распределенного давления составляет:
= Eil =-89645 = 140,41, [МПа]
Sn 37700Х 10~6
Нагрузка, приходящаяся на основание пяты стрелы:
E = Rc = 74:98 = 37,49, [кН]
C 2 2
Принимаем, что действующая сила распределена по площади основания пяты стрелы, где площадь основания равна:
Sc = 201062, [мм2]
Соответственно, величина распределенного давления составляет:
F 37490
= Fc =-37490 = 1864599, [Па]
Sc 201062 х 10~6
Результаты расчета приведены в табл. 1, где указаны максимальные значения напряжений и деформаций в элементах металлоконструкции каркаса плавучего крана КПЛ 5-30.
Таблица 1
Результаты расчета
№ Напряжения МПа Деформации м
1 Оэкв 149 еЭКВ 0,964x10-3
2 °X 32,5 ех 0,8x10-3
3 Oy 52,6 ey 0,426x10-4
4 °Z 65,0 ez 0,484x10-3
5 OXY 36,6 eXY 0,227 x10-3
6 Oyz 46,7 eyz 0,29 x10-3
7 OXZ 18,0 eXZ 0,112 x10-3
Результаты расчета максимальных деформаций и напряжений, возникающих в критическом элементе каркаса, представлены на рис. 4. Видно, что напряженное состояние имеет трехосный (объемный) характер.
в) напряжения по оси У
г) напряжения по оси Ъ
■
д) касательные напряжения в плоскости ХУ е) касательные напряжения в плоскости УЪ
ж) касательные напряжения в плоскости Х7
з) суммарные деформации
и) деформации по оси X к) деформации по оси У
л) деформации по оси Ъ
Рис. 4. Результаты расчета
Из анализа решения задачи (см табл. 1) видно, что уровень напряжений не превышает предела текучести. На рис. 5 показана кривая поврежденности ю от числа
N
относительных циклов нагружения -, где N - число циклов до образования макротрещины. Анализируя полученные результаты максимальных деформаций и напряжений можно сделать вывод о том, что количество накопленных повреждений находится в опасной зон (близко к «критическому» значению юх = 1).
По результатам оценки долговечности плавучего крана КПЛ 5-30 зав. №2040 сделан вывод о выработке ресурса металлоконструкции каркаса машинного отделения (остаточный ресурс находится в пределах погрешности вычислений) и необходимо провести капитальный ремонт металлоконструкции с заменой несущих нагруженных элементов, либо реконструкцию крана.
и
Рис. 5. Кривая поврежденности
2. Метод повышения надежности металлоконструкции и привода механизма подъема грейферного плавучего крана
Пиковые нагрузки возникают из-за физических процессов, происходящих при зачерпывании водонасыщенного материала под водой: фильтрация воды через поры материала при его сжатии в момент схождения челюстей грейфера, поступление воды под днище грейфера для компенсации «присоса» грейфера из-за гидростатического давления столба жидкости.
Гидротрансформатор позволяет автоматически регулировать скорость подъема и замыкания грейфера путем создания обратной связи между нагрузкой на канатах и скоростями зачерпывания и подъема грейфера. Они позволяют гладко менять передаточное отношение от двигателя к редуктору в 3,5 раза в сторону увеличения и соответственно увеличивая крутящий момент на валу редуктора, что и позволят преодолевать эффект «пиковых» нагрузок. Кроме того, является средством, предохраняющим привод от любых перегрузок, так как передача крутящего момента в нем осуществляется через жидкость, а не через жесткую кинематическую связь.
Как показали исследования [3], несмотря на некоторое снижение к.п.д. привода вследствие возникновения дополнительных потерь в гидротрансформаторе, обеспечивается рост производительности при приемлемой стоимости гидротрансформатора, соизмеримая со стоимостью среднего ремонта механизма подъема. Средняя стоимость гидротрансформатора составляет тридцать тысяч рублей - цифра соизмеримая со стоимостью среднего ремонта плавучего крана. Установлено также, что благодаря высоким защитным свойствам, надежность электродвигателя повышается в 1,41,5 раза, а долговечность редуктора и элементов механической передачи в 2,0 раза.
Анализ свойств и характеристик существующих гидротрансформаторов [3, 4] позволяет сформулировать требования к ним для установки в механизме подъема плавучего крана:
1. Гидротрансформатор, обладая высоким быстродействием, должен иметь соответствующие демпфирующие свойства, позволяющие избежать действие на его работу высоких частотных колебаний в канатах механизма подъема.
2. Гидротрансформатор должен обеспечивать работу электродвигателя привода в оптимальных режимах, не переходя в режимы, когда вся подводимая мощность расходуется на «мятие» жидкости. Таким требования отвечают полностью «непрозрачные» гидротрансформаторы [3, 5, 6], но создание гидротрансформаторов данного типа проблематично [6, 8], поэтому целесообразно применять гидротрансформаторы с малой степенью «прозрачности», в пределах 1,0___1,1 в основной рабочей зоне.
Прозрачность - свойство насосного колеса изменять величину крутящего момента при изменении передаточного отношения гидротрансформатора. Если с изменением передаточного отношения крутящий момент на насосном колесе остается постоянным, то гидротрансформатор называется «непрозрачным».
3. Гидротрансформатор должен преобразовывать крутящий момент в приводе в полном диапазоне рабочей нагрузки. Для плавучего крана максимальное значение коэффициента трансформации должно лежать в пределах 1,4...1,6 [1]. В пределах указанных значений максимального коэффициента трансформации и принятой степени прозрачности целесообразно применение одноступенчатого гидротрансформатора, обладающего наибольшей простотой конструкции [4, 6, 7].
4. Гидротрансформатор должен иметь устройство для блокировки, с целью обеспечения работы привода с постоянными низкими скоростями, то есть иметь муфту свободного хода.
5. При создании привода механизма подъема с гидротрансформатором необходимо совмещать исходные характеристики асинхронного электродвигателя и гидротрансформатора, что осуществляется совмещением номинального момента электродвигателя с зоной максимального к.п.д. гидротрансформатора. В этом случае преобразующие свойства гидротрансформатора используются при всех режимах работы привода с реализацией положительных качеств, применительно к подводной добыче.
На основании сформулированных требований необходимо подобрать следующие параметры гидротрансформатора механизма подъема плавучего крана.
Оптимальным является одноступенчатый гидротрансформатор, отличающийся сравнительно простой конструкцией и наиболее дешевый в производстве.
На рис. 6 отображены зависимости основных характеристик при изменении передаточного отношения:
ч
90
80 70
60
5В 10 30 20 ю
О 0.1 0.2 0.3 0£ 0^ 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис. 6. Характеристика гидротрансформатора и его основные параметры
Указанные свойства зависят от конструкции одноступенчатых гидротрансформаторов. На рис. 7 показаны основные типы одноступенчатых гидротрансформаторов, отличающихся расположением турбинного колеса.
Рис. 7. Типы кругов циркуляции одноступенчатых гидротрансформаторов:
Я21, Я22 - осредненный радиус на входе и выходе из турбинного колеса соответственно
В зависимости от расположения турбинного колеса различают гидротрансформаторы: с центростремительной турбиной (рис. 7, а), осевой турбиной (рис.7, б) и центробежной турбиной (рис. 7, в).
Типичные зависимости, характеризующие преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов с различными типами турбинных колес, показаны на рис. 8.
Основное требование к гидротрансформатору - высокий к.п.д. в рабочей зоне. Это требование наиболее полно можно реализовать в комплексных гидротрансформаторах (с центростремительной турбиной и симметричным расположением насосного и турбинного колес (рис. 7,а). Кроме того, в гидротрансформаторах с центростремительной турбиной при установке в колесах реактора муфт свободного хода реализуется эффективная работа в режиме гидромуфты. Отмеченное свойство обусловлено тем, что в гидротрансформаторах указанного типа выход рабочей жидкости из насосного колеса располагается на большем диаметре круга ее циркуляции.
К
3
2
1 2 Л.
44 У
к
О 02 04 06 08
08 06 0402 О
Рис. 8. Преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов: 1,2,3 - гидротрансформатор с центробежной, осевой, центростремительной турбиной соответственно
В гидротрансформаторах этого типа можно получить как прозрачную, так и малопрозрачную нагрузочную характеристику. Для механизма подъема желательно иметь малопрозрачную характеристику, что достигается соответствующим выбором формы круга циркуляции и углов наклона лопаток в рабочих колесах.
Приведенный анализ требований к характеристикам и конструкции гидротрансформаторов для привода механизма подъема плавучих кранов, соответствующих условиям и нагрузкам, позволяет сделать вывод, что им наиболее соответствует гидротрансформатор комплексного типа с центростремительной турбиной.
На данный привод механизма подъема, разработанный авторами на кафедре подъемно-транспортных машин Волжской государственной академии водного транспорта, получен патент на полезную модель №91999 (рис. 9), а также ведутся работы по дальнейшей разработке и внедрению данного привода.
Рис. 9. Общий вид механизма подъема с гидротрансформатором: 1 - редуктор; 2 - гидротрансформатор; 3 - электродвигатель; 4 - канатный барабан
Список литературы:
[1] Никитаев И.В. Судовые энергетические грейферные установки для добычи рудных материалов на континентальном шельфе/ И.В. Никитаев - Нижний Новгород: ВГАВТ, 2000. - 26 с.
[2] CAD/CAE система APM WinMachine
[3] Анохин В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных тракторах/ В.И. Анохин, - М.: Машиностроение, 1972. - 304 с.
[4] Анохин В.И. О выборе основных параметров гидротрансформатора для гидромеханической трансмиссии скоростного гусеничного сельскохозяйственного трактора / В.И. Анохин, [ и др.]. // Тракторы и сельхозмашины. - 1985. - №10. - С. 11-15.
[5] Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи/ А.Я. Кочкарев - Л.: Машиностроение, 1971. -336 с.
[6] Нарбут А.Н. Гидротрансформаторы/ А.Н. Нарбут - М.: Машиностроение, 1966. - 218 с.
[7] Анисимов В.Б. Гидротрансформаторы для строительных и дорожных машин/ В.Б. Аниси-мов - М.: Стройиздат, 1967. - 42 с.
[8] Трусов С.М. Автомобильные гидротрансформаторы/ С.М. Трусов - М.: Машиностроение, 1977. - 211 с.
[9] Шерле З.П. Справочник механизатора речного порта/ З.П. Шерле, Г.Г. Каракулин - М.: Транспорт, 1980. - 391 с.
[10] Слюсарев А.С. Метод повышения ресурса и надежности плавучих кранов, работающих при подводной добыче, отработавших нормативный срок эксплуатации / А.С. Слюсарев, А.С. Яб-локов. - Материалы II межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» 12-13 мая 2011 года. - СПб., 2011, С. 61 - 65.
[11] Слюсарев А.С. Передвижной комплекс для очистки водоемов / А.С. Слюсарев, А.С. Ябло-ков. - Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «ТРАНСПОРТ-XXI ВЕК». - Н.Новгород, 2007, С. 235-236.
[12] Слюсарев А.С. Передвижной комплекс для очистки малых водоемов и рек / А.С. Слюсарев, А.С. Яблоков / Вестник Волжской гос. академии водн. трансп. «Надежность и ресурс в машиностроении». - 2008. - вып. 25. - С. 104-107.
[13] Слюсарев А.С. Создание математической модели процесса зачерпывания водонасыщенно-го материала грейфером / А.С. Слюсарев, А.С. Яблоков. - Сборник статей V Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем». - Пенза, 2011, С. 239-242.
[14] Яблоков А.С. Механизм подъема и зачерпывания для плавучего крана / А.С. Яблоков. -Тезисы докладов Х Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ. - Москва, 2010, - С. 76.
[15] Яблоков А.С. Увеличение надежности электроприводов лебедок зачерпывания и подъема грейферных кранов / А.С. Яблоков. - Сборник научных трудов второго всероссийского конкурса инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых российской федерации «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах». - Уфа, 2009, - С. 89.
[16] Антонов А.С. Гидромеханические и электромеханические передачи транспортных и тяговых машин / А.С. Антонов, Е.В. Магидович, И.С. Новохатько. - М.: Машгиз, 1963. - 351 с. 73.
[17] Волков Д.П. Надежность строительных машин и оборудования/ Д.П. Волков, С.Н. Николаев. - М.: Высш. Школа, 1979. - 400 с.
THE METHOD OF RECONSTRUCTION OF THE DRIVE MECHANISM FOR LIFTING FLOATING CRANE BUCKET BASED ON AN ASSESSMENT OF DURABILITY METAL FLOATING CRANE
A.S. Yablokov, G.G. Ermolaev, A.V. Lavrukhin
Key words: cycle fatigue experiment, damage, material parameters, the torque converter, impeller, turbine, reactor wheel, grab
The article discusses the problem of assessing the durability of metal structures of the engine room of the floating crane. Examined the effects of the phenomenon of "suction" grab for floating cranes involved in subsea production. The solution of the problem - including in the drive mechanism for lifting the torque converter, as well as the requirements to specifications and design for such a converter.
