ТИПИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ ПРИ АНАЛОГОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН

УДК 658.516

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-313-319

ТИПИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ ПРИ АНАЛОГОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

А.В. Анцев, А.В. Воробьев

Показано применение аналогового проектирования при проектировании грузоподъемных машин. Разработана классификация кранов для поиска кранов-аналогов при типизации конструкторских проектных решений. Рассмотрен пример классификации на примере мостовых кранов, которые предлагается классифицировать по области применения, по конструкции грузозахватного органа, по способу перемещения, по способу управления и по конструкции. Выбраны основные характеристики мостового крана для поиска крана-аналога и была оценена их важность с помощью метода попарного сравнения, по результатам которого для подбора крана-аналога было оставлено 10 основных характеристик. Для удобства расчетов весовые коэффициенты были отнормированы. Для нечисловых характеристик (группа режима работы крана и климатическое исполнение) были представлены соответствующие шкалы числовых значений. Предложена методика расчета коэффициента близости подбираемого крана-аналога к проектируемому крану по параметрам (коэффициент подобия). Для иллюстрации разработанной методики был приведен пример графика зависимости коэффициента подобия от значений параметров крана-аналога и значений параметров проектируемого крана для случая с одной характеристикой. Использование предложенного коэффициента подобия при выполнении конструкторской разработки, особенно на исходных этапах, обеспечивает возможность выявления и сравнительной оценки из множества возможных инженерно-технических решений нескольких исполнений, сходных по выполняемым функциям.

Ключевые слова: типизация конструкторских проектных решений, аналоговое проектирование, мостовой кран, метод попарного сравнения, коэффициент подобия.

В процессе производства грузоподъемных машин (кранов) объем проектной документации большой даже для сравнительно небольших предприятий, например, ООО «Стройтехни-ка», г. Донской Тульской обл., что требует затрат труда большого количества квалифицированных проектировщиков. Поэтому необходимо сократить время на подготовку конструкторской документации. Для этого можно применить различные механизмы, например, экспресс-оценку параметров качества грузоподъемных машин [1, 2], экспресс-оценку ресурсоемкости [3] или аналоговое проектирование.

Аналоговое проектирование [4, 5] - это проектирование по аналогу, прототипу. Неопределенная ситуация сводится к известному решению сходных задач, при этом результат минимально трансформирует знакомые решения.

Аналоговое проектирование возможно путем типизации конструкторских проектных решений, т. е. многократного использования однажды разработанной и утвержденной проектной документации или отдельных ее частей, что позволяет повысить качество проектной документации, ускорить и удешевить процесс проектирования. Для того чтобы подобрать кран-аналог, необходимо сначала выбрать тип крана, а потом для выбранного типа крана подобрать вариант с наиболее близкими основными характеристиками. С целью применения аналогового проектирования кранов была разработана классификация для поиска кранов-аналогов.

Типы крана могут быть классифицированы по следующим признакам (рис. 1):

- по конструкции ходового устройства (рельсовые, железнодорожные, плавучие, шагающие, автомобильные, гусеничные, пневмоколесные, катковые, на специальном шасси);

- по возможности перемещения крана (передвижные, стационарные, самоподъемные, переставные, самоходные, прицепные);

- по конструкции (мостового типа: мостовые, козловые, полукозловые, кран-штабелеры, краны-перегружатели; стрелового типа: башенные, стреловые, портальные, мачтовые, железнодорожные, консольные; кабельного типа: кабельные, кабельно-мостовые; краны-трубоукладчики; краны-манипуляторы);

- по типу привода (ручные, машинные: электрические, гидравлические, механические, комбинированные);

- по конструкции грузозахватного органа (крюковые, магнитные, грейферные, автоматические, мульдомагнитные, мульдогрейферные, мульдозавалочные, штыревые, литейные, посадочные, ковочные, стрипперные (для раздевания слитков), колодцевые, с траверсой, со специальным захватом),

- по способу управления (из кабины, с пола, дистанционно, автоматические);

- по назначению (общего назначения, специальные: металлургические, строительно-монтажные, для обслуживания гидротехнических сооружений, для взрыво- и пожароопасной среды).

| По конструкции]

Ч Мостового типа

Мостовые | Козловые | —[Полукозловыё] {"кран-штабелери | -[Краны-перегружатели] -| Стрелового типа]

-| Железнодорожные]

-| Сц.'е юные

] Шагающие | —| Автомобильные"] —| Гусеничные |

Передвижные | —| Стационарные ] -| Самоподъемные^ —| Переставные | —| Самоходные |

-| Ручные |

—| Крюковые] —| Магнитные | —| Грейферные | — Автоматические

—| Общего"

Ч

назначения

Специальные

Прицепные

Пневмоколесные

-| Электрические] -| Гидравлические] -| Механические] -[к омбиннрованные] —| Мульдогрейферныё| — \:у.1ьлу завалочные]

| Дистанционно |

—| Металлургические^

Автоматнческ

а

—[Му:

льдомлгннтные|

-1 Катковые]

На специальном шасси

Портальные | Мачтовые | -| Железнодорожные]

—| Штыревые |

■ лнтгшгые —| Посадочные!

—(Код

Строительно-монтажные

Для обслуживания гидротехнических сооружений

Дтя взрыво- и пожароопасной среды

I—[Консольные"] -| Кабельного типа]

Сгрнпперные (для раздевания слитков)

—[Ко.тоддевые| —| С траверсой |

\ Кабельные]

4

Со специальным! захватом

-¡Кабельно-мостовые

-| Краны-трубоукладчики] -| Краны-манипуляторы |

Рис. 1. Классификация кранов

Так как на предприятии ООО «Стройтехника» разрабатывается различная грузоподъемная техника, из которой большая часть (92,5%) - это мостовые краны, то в дальнейшем будет рассмотрен только этот тип кранов.

Мостовой кран - это грузоподъемная машина, у которого захватное устройство расположено на передвижной тележке (либо тали), в свою очередь перемещающейся по мосту. Последний представляет собой подвижную конструкцию, выполненную из высокопрочной стали [6].

Мостовые краны классифицировать можно по многим параметрам. Количество балок в составе моста - один из основных [7]. Одну пролетную балку имеет однобалочный кран, две -двухбалочный. В зависимости от конструкции моста изменяется компоновка грузоподъемного устройства.

Еще один параметр, по которому различаются мостовые краны, - их расположение на подкрановых путях. Подобно локомотиву опорный кран перемещается по рельсам, под путями расположен подвесной кран и опирается на нижнюю полку двутаврового профиля, служащего подкрановыми путями. Как правило, однобалочные краны (или кран-балки) бывают подвесными. Крайне редкое явление - подвесной двухбалочный кран.

Сильно зависит от интенсивности эксплуатации в будущем конструкция мостового крана. Режимы работы кранов имеют обозначения от АО до А11, согласно ГОСТ 34017-2016 [8]. В зависимости от этого рассчитываются технические характеристики мостового крана, а также мощность металлоконструкции (концевых и пролетной балок).

Есть три способа, с помощью которых можно управлять мостовым краном: из кабины, радиоуправление и с помощью кабельного пульта. Часто комбинируют два способа управления на случай выхода из строя одного из них.

Для перемещения опорных кранов используются крановые пути - специальные крановые рельсы типа «КР» или железнодорожные рельсы типа «Р».

Также мостовые краны можно классифицировать по области применения и по конструкции грузозахватного органа.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию мостовых кранов (рис. 2) [9].

Рис. 2. Классификация мостовых кранов

После выбора типа крана выбираются его основные характеристики. К этим основным характеристикам относятся грузоподъемность крана Q, пролет Ь, высота главного подъема

Нглп , база крана Акр , высота крана Нкр, скорость передвижения крана иперкр, скорость передвижения тележки (тали) ^пер т , скорость подъема главного крюка ипод , группа режима работы

крана, тип подкранового пути, климатическое исполнение с категорией размещения.

Для того чтобы рассчитать коэффициент близости подбираемого крана-аналога к проектируемому крану по параметрам (коэффициент подобия) предложена следующая формула:

(1)

N

к п = 2 i=1

( (

Wi

1 -

P ■ - P ■

1 ai 1 пк

P ■+ P ■

1 ai ^1 пю

//

где N - число характеристик крана (N = 11); Wi - весовой коэффициент i-й характеристики крана; Pai - значение i-го параметра крана-аналога; P^ - значение i-го параметра проектируемого крана.

Значения Pai и /^ш могут быть заданы численно в соответствии со своей характеристикой (например, грузоподъемность крана Q, пролет L, высота главного подъема Hгл п , база крана Дкр , высота крана Нкр , скорость передвижения крана ипер кр , скорость передвижения тележки (тали) иперт , скорость подъема главного крюка ипод ). Значения Pai и для группы

режима работы крана, климатического исполнения с категорией размещения проранжируем от легкого до тяжелого. Так, к примеру, для группы режима работы: АО - 0,1, А1 - 1, А2 - 2, ..., А11 - 11. Для климатического исполнения с категорией размещения по ГОСТ 15150-69 [10] предлагаемые значения параметров Pai и P^ представлены в табл. 1.

Весовые коэффициенты были оценены по методу попарного сравнения (ПС) характеристик кранов. Идея метода состоит в том, что попарно сравниваются каждые две характеристики и определяется наиболее значимая из них, отсюда название - «попарное (или парное) сравнение» [11]. Матрица ПС характеристик подъемных кранов представлена в табл. 2.

315

Так как сумма баллов для типа подкранового пути равна 0, то эта характеристика в дальнейших расчетах не учитывается и для подбора крана-аналога оставлено 10 параметров.

Ранжирование значений Рш и Рт

для климатического исполнения размещения

Таблица 1

Обозначение Рш и Рпк1 Обозначение Рш и Рпк1 Обозначение Рш и Рпк1 Обозначение Рш и Рта

У1, ТУ1 1,00 УХЛ5 3,40 О1.1 6,01 ТМ4.1 8,31

У1.1, ТУ1.1 1,01 УХЛ5.1 3,41 О2 6,10 ТМ4.2 8,32

У2, ТУ2 1,10 ТВ1 4,00 О2.1 6,11 ТМ5 8,40

У2.1, ТУ2.1 1,11 ТВ1.1 4,01 О4 6,20 ТМ5.1 8,41

У3, ТУ3 1,20 ТВ2 4,10 О4.1 6,21 ОМ1 9,00

У3.1, ТУ3.1 1,21 ТВ2.1 4,11 О4.2 6,22 ОМ1.1 9,01

У5, ТУ5 1,30 ТВ3 4,20 О5 6,30 ОМ2 9,10

У5.1, ТУ5.1 1,31 ТВ3.1 4,21 О5.1 6,31 ОМ2.1 9,11

ХЛ1 2,00 ТВ4 4,30 М1 7,00 ОМ3 9,20

ХЛ1.1 2,01 ТВ4.1 4,31 М1.1 7,01 ОМ3.1 9,21

ХЛ2 2,10 ТВ4.2 4,32 М2 7,10 ОМ4 9,30

ХЛ2.1 2,11 ТВ5 4,40 М2.1 7,11 ОМ4.1 9,31

ХЛ3 2,20 ТВ5.1 4,41 М3 7,20 ОМ4.2 9,32

ХЛ3.1 2,21 Т1, ТС1 5,00 М3.1 7,21 ОМ5 9,40

ХЛ5 2,30 Т1.1, ТС1.1 5,01 М4 7,30 ОМ5.1 9,41

ХЛ5.1 2,31 Т2, ТС2 5,10 М4.1 7,31 В1 10,00

УХЛ1 3,00 Т2.1, ТС2.1 5,11 М4.2 7,32 В1.1 10,01

УХЛ1.1 3,01 Т3, ТС3 5,20 М5 7,40 В2 10,10

УХЛ2 3,10 Т3.1, ТС3.1 5,21 М5.1 7,41 В2.1 10,11

УХЛ2.1 3,11 Т4, ТС4 5,30 ТМ1 8,00 В3 10,20

УХЛ3 3,20 Т4.1, ТС4.1 5,31 ТМ1.1 8,01 В3.1 10,21

УХЛ3.1 3,21 Т4.2, ТС4.2 5,32 ТМ2 8,10 В4 10,30

УХЛ4 3,30 Т5, ТС5 5,40 ТМ2.1 8,11 В4.1 10,31

УХЛ4.1 3,31 Т5.1, ТС5.1 5,41 ТМ3 8,20 В4.2 10,32

УХЛ4.2 3,32 О1 6,00 ТМ4 8,30 В5 10,40

В5.1 10,41

Для удобства расчетов число баллов характеристик крана было отнормировано, весовой коэффициент 7-й характеристики крана Ъ определялся по формуле:

ъ=• (2)

7 N X В7

7 =1

N

где В7 - число баллов 7-й характеристики крана; ^В7 - сумма баллов характеристик крана.

7=1

На основе анализа табл. 2 и формулы (2) была составлена таблица нормированных весовых коэффициентов (табл. 3).

Таблица 2

Матрица попарных сравнений параметров подъемных кранов

Параметр грузоподъемность крана Q пролет Ь С ¿Н ч о п ц та о с ы в & ^ а н а кр а аз ю а н а р к та о с ы в & & с Р а И й р к ш д е р е п & о к с & с р ^ Я к * л е т ш д е р е п & о к с 5 с р а к 2 6 ц ч о п & о к с группа режима работяг крана подкрановый путь климат. исп. с кат. размещения Сумма баллов В

грузоподъемность крана Q - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10

пролет Ь 0 - 1 1 1 1 1 1 0 1 1 8

высота главного подъема Н гл.п. 0 0 - 1 1 1 1 1 0 1 1 7

Окончание таблицы 2

Параметр грузоподъемность крана Q пролет Ь высота гл. под. Нгл.п. & ^ а н а кр а аз б а н а кр а т о с ы в & с р а и ^ & в. д е р е п .р о к с & п р )и (та и к кж ^ л е т в. д е р е п .р о к с 5 п р а к 2 6 л.г .д о п .р о к с группа режима работы крана подкрановый путь климат. исп. с кат. размещения Сумма баллов В

база крана А кр. 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 2

высота крана Н кр. 0 0 0 0 - 0 0 0 0 1 0 1

скор. передв. крана и пер.кр. 0 0 0 1 1 - 0 0 0 1 0 3

скор. передв. тележки (тали) иперт 0 0 0 1 1 1 - 0 0 1 0 4

скор. под. гл. крюка и под. 0 0 0 1 1 1 1 - 0 1 0 5

группа режима работы крана 0 1 1 1 1 1 1 1 - 1 1 9

тип подкранового пути 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

климат. исп. с кат. размещения 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 - 6

Таблица нормированных весовых коэц Таблица 3 Ьфициентов

Параметр Баллы Весовой коэффициент

грузоподъемность крана Q 10 0,18

пролет Ь 8 0,15

высота главного подъема Н гл.п. 7 0,13

база крана А кр. 2 0,04

высота крана Н кр. 1 0,02

скор. передв. крана и пер.кр. 3 0,05

скор. передв. тележки (тали) и пер.т. 4 0,07

скор. под. гл. крюка ипод 5 0,09

группа режима работы крана 9 0,16

тип подкранового пути 0 0

климат. исполнение с кат. размещения 6 0,11

Сумма 55 1

По формуле (1) был построен график зависимости коэффициента подобия Кц от значений параметров крана-аналога Ра^ и значений параметров проектируемого крана Рпк;- для случая с одной характеристикой (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициента подобия Кц от Ра1 значений параметров крана-аналога и Рпю- значений параметров проектируемого крана

Сегодня немыслим ни один процесс конструирования без широкого использования типовых, унифицированных и, в необходимых случаях, стандартизованных конструктивных элементов (крепежных изделий, допусков и посадок, узлов и деталей общемашиностроительного применения, различных типов стандартных соединений и др.). Использование предложенного коэффициента подобия при выполнении конструкторской разработки, особенно на исходных этапах, обеспечивает возможность выявления и сравнительной оценки из множества возможных инженерно-технических решений нескольких исполнений, сходных по выполняемым функциям.

Список литературы

1. Анцев В.Ю., Воробьев А.В. Метод экспресс-оценки в процессе проектирования грузоподъемных машин // Обеспечение и повышение качества изделий машиностроения и авиакосмической техники. Материалы Международной научно-технической конференции. Брянский государственный технический университет, 2020. С. 62-66.

2. Воробьев А.В., Анцев В.Ю. Экспресс-оценка качества грузоподъемных машин на стадии проектирования по их ресурсоемкости // Управление качеством в образовании и промышленности. Сборник статей Всероссийской научно-технической конференции. Отв. ред. Белая М.Н. Севастополь, ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», 2019. С. 51-59.

3. Анцев В.Ю., Воробьев А.В., Шафорост А.Н. Повышение эффективности процесса проектирования грузоподъемных машин на основе экспресс-оценки их ресурсоемкости // Техника и технология транспорта. 2019. № S13. С. 1-5.

4. Аналоговое проектирование [Электронный ресурс]. URL: https://elar.rsvpu.ru/bitstream/123456789/10196/1/di 2009 050.pdf(дата обращения: 23.06.2022).

5. Амелина О.Ю. Работа с аналогами как поиск источника вдохновения и креативности в сфере графического дизайна // Образование и общество. 2020. № 4 (123). С. 42-46.

6. Мостовой кран. [Электронный ресурс] URL: http://o-cranes.ru/mostovoj-kran (дата обращения: 14.04.2022).

7. Тузов А. Мостовой кран: конструкция, технические характеристики, назначение и применение, 2018. [Электронный ресурс] URL: http://fb.ru/artide/423291/mostovoy-kran-konstruktsiya-tehnicheskie-harakteristiki-naznachenie-i-primenenie (дата обращения: 14.04.2022).

8. ГОСТ 34017-2016. Краны грузоподъемные. Классификация режимов работы. М.: Стандартинформ, 2017. 22 с.

9. Организация производства на предприятии (фирме): учебное пособие / Под ред. О.И. Волкова, О.В. Девяткина. М.: ИНФРА-М, 2011. 448 с.

10. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. М.: Стандартинформ, 2010. 72 с.

11. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / пер. с англ. Р.Г. Вачнадзе. М.: Радио и связь, 1993. 278 с.

Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, a.antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Воробьев Алексей Владимирович, заместитель главного инженера проекта, super-worobyov-av@yandex.ru, Россия, Тульская область, Донской, ООО «Стройтехника»

TYPING OF DESIGN SOLUTIONS OF LIFTING CRANES IN ANALOG DESIGN

A.V. Antsev, A.V. Worobyov

The use of analog design in the design of hoisting machines is shown. A classification of cranes has been developed to search for analogue cranes when typing design solutions. An example of classification is considered on the example of bridge cranes, which are proposed to be classified according to the area of application, according to the design of the load gripping body, according to the method of movement, according to the method of control and according to the design. The main char-

318

acteristics of an bridge crane were selected to search for an analogue crane and their importance was assessed using the pairwise comparison method, according to the results of which 10 main characteristics were left for the selection of an analogue crane. For the convenience of calculations, the weight coefficients were normalized. For non-numerical characteristics (group of the crane operation mode and climatic version), the corresponding scales of numerical values were presented. A method for calculating the coefficient of similarity of the selected crane-analogue to the designed crane according to the parameters (the coefficient of similarity) is proposed. To illustrate the developed method, an example of a graph of the coefficient of similarity on the values of the parameters of the crane- analogue and the values of the parameters of the designed crane for the case with one characteristic was given. The use of the proposed coefficient of similarity when performing design development, especially at the initial stages, provides the ability to identify and comparatively evaluate several designs from a variety ofpossible engineering and technical solutions that are similar in their functions.

Key words: typing of design solutions, analog design, bridge cranes, pairwise comparison method, coefficient of similarity.

Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, a.antsev@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Worobyov Alexey Vladimirovich, deputy chief engineer of the project, super-worobyov-av@yandex.ru, Russia, Tula region, Donskoy, Ltd «Stroytekhnika»

УДК 62-762.64

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-319-326

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СИЛОВОГО АНАЛИЗА САЛЬНИКОВОГО УПЛОТНЕНИЯ С МЯГКОЙ НАБИВКОЙ

Г.В. Божко, Ж.Д. Нконди, И.М. Маомби

Нормальная работа технологического оборудования под давлением среды определяется герметичностью разъемных соединений (РС) и прочностью его деталей. Для герметизации РС широко применяют простые и недорогие в эксплуатации сальниковые уплотнения. Представлен силовой анализ работы сальниковой набивки при осевом ее сжатии с целью уточнения значений коэффициента бокового давления, установка для его определения и результаты экспериментов по испытанию мягких сальниковых набивок из некоторых современных отечественных материалов. Доказывается, что использование интегрированного комплекса к[предполагает более точные расчеты силовых и геометрических параметров сальниковых уплотнений.

Ключевые слова: герметичность, уплотнение, подвижные соединения, мягкая сальниковая набивка, вал, корпус сальника, нажимная втулка.

Нормальная работа любого технологического оборудования, находящегося под давлением рабочей среды, во многом определяется герметичностью его разъемных соединений (РС) и прочностью его деталей. Нарушение герметичности ведет к экономическим потерям производства, к загрязнению окружающей среды и снижению безопасности эксплуатации оборудования, работающего с высокоагрессивными, токсичными, взрыво- и пожароопасными веществами. Нарушение прочности может быть причиной аварий с серьезными последствиями [4,

5].

Герметизация - это обеспечение непроницаемости машин и аппаратов для жидкостей и газов с помощью узлов уплотнения - устройств для разделения сред с допускаемой их утечкой.

В оборудовании, работающем под давлением, широко используется сальниковое уплотнение с мягкой набивкой, применяемое для герметизации как подвижных, так и для неподвижных разъемных соединений. Это объясняется простотой конструкции и ее обслуживания, низкой стоимостью и относительно простым методом расчета силовых и геометрических параметров уплотнения.