Определение нагруженности крано-манипуляторных установок при переходных режимах работы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах руюписи

Сагдсев Константин Бориоович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ КРАНО-МАНИПУЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Специальность 010206-"Динамика, прочность машин, приборови аппаратуры"

Автореферат диссертации на соисканиеученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2006

Работа выполнена на кафедре "Летательные аппараты" Южно-Уральскою госудфстпенного университета.

Научный руководитель доктор технических нау к, профессор Ю.С. Павлюк.

Официальные оппоненты: доктор физимэ-математических нау к,

профессор А.И.Телегин, кандидат технических н^ к А А. Демчен мэ.

Ведущее предприятие- ОАО "АЗ"Урал", г Миасс.

Защита состоится "24" мая 2006 г., в 15 00 ч., на заседании специализированного диссертационного оовета Д212298Л2 при Южно-Уральском государственному ниверситете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральсюго государственного университета.

Автореферат разослан "¿У " Опре *я 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212 298.02,

доктор технических наук, профессор

Л006/I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание крано-манипуляторных установок (КМУ) является одним из новых, перспективных направлений развития грузоподъемной техники. Благодаря своей универсальности и эиэномической эффективности они нашли широкое применение в лесной и деревообрабатывающей промышленности (лесозаготовительные), в строи гел ьстве, при переработке и сборе металлолома.

Особенности конструкций стрел и их гидроприводов не позволяют полностью распространить на крано-манипуляторныеустановки результаты исследований нагруженности кранов, а результаты существующих зарубежных исследований в облает нагруженности крано-манипуляторньк установок для нас недоступны. В связи с этим для нового класса грузоподъемных машин недостаточно разработаны подходы к оценке нагруженности (расчетные условия нагружения, расчетные случаи), отсутствуют корректные методики расчета динамических нагрузок.

Все это приводит к неоптимальности и неравно прочно ста конструкции и как следствие кувеличению массы, снижению надежности и кувеличению объема испытаний. Таким образом, исследование нагруженности и разработка эффективных методов расчета динамических нагрузок крано-манипуляторньк установок являются актуальными проблемами.

Цель диссертации состоит в определении нагруженности крано-манипуляторных установок при переходных режимах работы на основе исследований условий эксплуатации и выделения расчетных случаев нагружения, моделирования рабочих процессов с учетом упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (подаишвостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов).

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Обобщены основанные положения для расчете в динамических нагрузок, определены расчетные случаи нагружения крано-манипуляторных установок(ки-н ем этические положения стрел), изложенные в разработанном стандарте предприятия.

2. Разработаны математические модели крано-манипуляторных установок, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (подахливостей рабочей жид нэ ста и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов) на динамически) натруженноегь при переходных режимах работы. Предложении* подход также позволяет свести конструкции крано-манипуляторных установок к упрощенной модели (одномао совой) при расчете нагрузок.

3. На основе упрощенной модели (одномассовой) разработан и защищен патентом способ определения динамических нагрузок сучетом случайного харак-тераотклонений от средних величин массы груза, скорости тру за и динамических усилий вгидронилиндрах стрел.

3

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург 03 20(^акт^ / £

Практическая значимость работы. Использование предложенных расчетные подходов исследований ншруженноста крано-манипуляторных установок позволяет достоверно определять уровень нагрузок, оценивать влияние разброса параметров КМУ и как следствие, улучшить технические характеристики проектируемых конструкций. Результаты, полученные входе исследования, используются при расчете элементов конструкции на прочность и определении оптимальных параметров конструкции.

Научные положении, выносимые на защиту

1. IIеречень основных расчетных случаев нагружения КМУ (кинематические положения стрел).

2. Математические модели КМУ, позволяющиеучитывать влияниеупругих деформаций стрел, податливо стей рабочей жид гости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов на динамическую ншруженность при переходных режимах рабо гы.

3. Методика расчета динамических нагрузок КМУ при переходных режимах работы, мэнечно-элементная и упрощенная (одномассовая) модели, позволяющиеучитывать упругие деформации стрел, податливости рабочей жидюсти и элементов гидропривода, характеристики предохранительных клапанов

4 Результаты экспериментальных исследований нанатурномобразце КМУ нагруженности элементов конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы.

5 Способ определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел.

6 Методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУдлятрех вариантов исполнения механизма поворота стрел.

Достоверность ночных положений и выводов работы подтвервдается сопоставлением результатов расчетов, выполненных на основе разработанных методик с результатами экспериментов, динамических испьпаний натурного образца КМУ "Оинешрец-75", выполненных на испытательном стенде предприятия ЗАО "НК Уралтерминалмаш" (г. Миасс) с использованием современной аппаратуры.

Реализация работы. Разработанные подходы оценки нагружен но сти КМУ внедрены на предприятие ЗАО "НК Уралтерминалмаш". С использованием предложенных методик проведены расчеты и анализ динамических нагрузок КМУ "Синегорец" грузоподъемностью 25,75,110,130,210 кН-м сучетом которых выполнены расчеты на прочность и разработана проекгно-конструкгорская документация. Таким образом, результаты настоящей работы внедрены во все КМУ марки "Синегорец", находящиеся в серийном, опытном изготовлении и эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены:

- на Т-м семинаре "Проблемы развития гидропривода в различных отраслях промышленности" (г. Новосибирск, Сибирский научно-исследовательский институт имени С.А. ЧАПЛЫГИНА) в 2003 г.;

- на XXIV-й Российской школе "Наука и технолог ии" (г. Миасс) в 2004 г.;

- на научном семинаре кафедр "СУ и ММ", "Автоматика и техническая механика" Миасского филиала ЮУрГУ в 2006 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 7 публикациях, а также в стандарте предприятия "Краны-манипуляторы грузоподъемные. Нормы прочности" (ЗАО "НК Уралтерминалмаш").

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 105 наименований. Общий объем работы - 157 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков, 16 таблиц и 3 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель работы, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературы по вопросам, посвященным разработке теоретических основ динамики рабочих процессов КМУ и другой грузоподъемной техники, основам конструирования и расчета КМУ: В.И. Брауде, А А. Вайнсона, Д.П. Волкова, М.М. Гохберга, С.А. Казака, С.П. Тимошенко. Дан краткий аналитический обзор работ авторов, исследовавших оптимизацию параметров конструкции, напряженное состояние металлоконструкции, математическое моделирование поведения КМУ, динамическую нагруженность КМУ в различных режимах работы: В.А. Александрова, A.B. Жукова, З.К. Емтыля, М.В. Склемина, А.П. Татаренко и некоторых других.

На основе проведенного анализа состояния вопроса установлено следующее:

- недостаточно исследованы расчетные условия нагружения, не выделены основные расчетные случаи нагружения, отсутствуют нормативы по нагруженно-сти КМУ,

- отсутствуют корректные методики расчета динамических нагрузок КМУ, не исследовано влияние упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов;

- недостаточно исследовано влияние случайных отклонений массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилинлрах стрел на динамическую нагруженность КМУ.

В соответствии с целью работы, и исходя из проведенного анализа состояния вопроса, поставлены следующие основные задачи'

- определить расчетные условия нагружения, выделить основные расчетные случаи нагружения конструкции КМУ (кинематические положения стрел);

- разработать математические модели КМУ, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов на динамическую нагруженность при переходных режимах работы;

- на натурном образце КМУ экспериментально определить нагруженность конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы;

- установить влияние на нагруженность случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел;

- разработать методику построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизмов поворота стрел (гидроцилиндр, гидроцилиндр совместно с качалкой и шатуном, гидроцилиндр совместно с шарнирно-рычажной системой).

Вторая глава посвящена исследованию грузоподъемности и расчетных условий нагруженносги КМУ. Также глава содержит постановку и решение задач определения динамических нагрузок при опускании и торможении груза стрелой, при повороте и торможении груза колонной. Оценивается влияние случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел на динамические нагрузки

Грузовысотная характеристика (ГХ) КМУ массы (рис. 1), в отличие от кранов, представляет собой не линию, а некоторую область, в пределах которой, в зависимости от взаимного расположения звеньев можно перемещать груз, заданной. Рабочая область КМУ была разделена на четыре зоны (рис. 2), так что в пре-

Рис. 1. Грузовысотная характеристика Рис.2. Зоны рабочей области

КМУ "Синегорец-75"

делах каждой из них наибольшая грузоподъемность обеспечивается определенной конфигурацией многозвенной стрелы. При этом, полагая, что наибольшей грузоподъемности соответствует конфигурация, при которой подъемная стрела наиболее близко расположена к углу ам. Этот угол соответствует максимальному плечу гидроцилиндра подъемной стрелы.

С учетом принятых допущений разработана программа построения ГХ лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизма поворсгга стрел: гидроцилиндр; гидроцилиндр, качалка и шатун; гидроцилиндр и шарнир-но-рычажная система. В программе для заданного дискретного значения груза последовательно по зонам для соответствующих конфигураций стрелы подбираются углы поворота стрел и выдвижение телескопической стрелы с учетом условий равновесия стрел и срабатывания предохранительных клапанов.

В результате проведенных исследований грузоподъемности КМУ определены условия использования наибольшей грузоподъемное! и (конфигурации стрелы для каждой зоны); предложен расчетный показатель для оценки ГХ. Показатель позволяет сравнивать грузовысотные характеристики КМУ, различных по грузоподъемности и конструктивному исполнению. На практике четыре зоны, выделенные ранее, удобно привести к двум, что изложено в эксплуатационной документации для КМУ "Синегорец".

Особенности рабочих процессов лесозаготовительных КМУ, дают основание характеризовать режим их работы как нестационарный, представляющий собой комбинацию закономерных и случайных сочетаний движущих сил и сил сопротивления, обуславливающих неустановившийся характер работы. Наиболее тяжелыми режимами работы с точки зрения нагруженности конструкции являются переходные. Поэтому максимальные нагрузки реализуются при переходных режимах работы и определяются срабатыванием предохранительных клапанов гидроприводов стрел КМУ.

Опыт создания моделей КМУ марки "Синегорец" и анализ информации по данному вопросу позволили выделить следующие основные расчетные случаи на-гружения, изложенные в разработанном стандарте предприятия ЗАО "НК Урал-терминалмаш":

- режим рабочего состояния, работа с грузом меньше или равным номинальному значению;

- опускание, подъем номинального груза стрелой с торможением (действие вертикальных нагрузок);

- поворот номинального груза колонной с торможением (действие горизонтальных нагрузок);

- совмещенное движение (опускание номинального груза стрелой одновременно с поворотом колонной) с торможением;

~ транспортирование в составе транспортного средства, действие на конструкцию КМУ продольных, поперечных и вертикальных пере!рузок относительно транспортного средства;

- действие на КМУ нагрузок, вызванных особенностями эксплуатации грузозахватных органов;

- действие на выдвижные опоры (аутригеры) вертикальных и горизонтальных нагрузок относительно опор.

При анализе нагруженности конструкции кроме основных рассматриваются аварийные случаи нагружения, выходящие за условия нормальной эксплуатации, а также ветровые нагрузки и наклон транспортного средства (при необходимости).

Разработанный стандарт предприятия соответствует проекту европейского стандарта ргЕЫ 12999, но содержит более полный перечень расчетных случаев нагружения. Случай внезапного освобождения груза в стандарте предприятия отсутствует. Проведенные оценки показали, что этот случай не является расчетным для прочности, нагрузки не превышают нагрузки случая действия вертикальных нагрузок.

Ветровые нагрузки, действующие в плоскости движения стрел, можно не учитывать т.к. момент от этих нагрузок мал по сравнению с моментом от веса, тем более с учетом инерционных сил при торможении груза. Ветровые нагрузки, действующие перпендикулярно плоскости стрел, при разгоне и торможении колонны не увеличивают инерционных сил. В случае мгновенного торможения колонны ветровую нагрузку необходимо учитывать т к. она увеличивает инерционные силы.

При моделировании процесса опускания и торможения груза стрелой ис-по повались несколько моделей. Сначала, на основе модели с сосредоточенными массами, раздельно для каждой стрелы определялась силовая характеристика гидропривода, затем выполнялся расчет динамических сил, моментов в элементах конструкции на основе конечно-элементной модели всей конструкции и полученных силовых характеристик гидроприводов стрел.

По каждому гидроцилиндру стрелы характеристика определялась путем решения соответствующей системы уравнений, состоящей из уравнения движения штока и расхода рабочей жидкости. При расчете гидропривода стрелы конструкции стрел и гидроприводы других стрел считались жесткими, также принимали, чго: сгатическая расходно-перепадная характеристика предохранительного клапана имеет линейную зависимость; динамика предохранительного клапана учитывалась увеличенным значением перепада давления Др = 15-20кгс/см2 в начале открытия для статической расходно-перепадной характеристики; сухое трение в гидроцилиндре учитывается соответствующим перепадом давления Лртр = 5 кгс/см2.

Расчетные силовые характеристики гидроцилиндров подъемной и выносной стрел, полученные для случая опускание и торможение груза (Мф = 1000 кг) подъемной стрелой КМУ "Синегорец-75" в горизонтальном положении приведены на рис. 3. Из рисунка видно, что силовые характеристики имеют нелинейный характер. Это обусловлено утечками рабочей жидкости из нагруженных полостей гидроцилиндров, возникающими при срабатывании вторичных предохранитель-

ных клапанов, и дросселированием рабочей жидкости через ограничители расхода.

Fnc, кгс

FK, кгс

Рис. 3 Силовые характеристики гидроцилиндров стрел КМУ "Синегорец-75"'

а - подъемной стрелы; б - выносной стрелы

Для расчета конечно-элементной модели КМУ использовался пакет COSMOS. Вычислительная процедура включала статический и динамический анализ. При динамическом анализе использовался метод прямого численного интсгриро-

вания. Конечно-элементная модель КМУ состояла из трехмерных балочных элементов для стрел, колонны и стержневых элементов для гидроцилиндров стрел. Силовые характеристики гидроцилиндров задавались диаграммами деформирования упруго-пластичного материала в виде нелинейных зависимостей по точкам. Массы грейферного захвата и груза учитывались сосредоточенной массой на головке телескопической стрелы. Влияние демпфирования конструкций стрел не учитывалось, поскольку основное влияние на нагруженность оказываю! медленно затухающие колебания низших частот. Особенности транспортного средства, на котором установлена КМУ не рассматривались, т.к. их частоты не совпадают.

Достоверность предложенной расчетной методики подтверждалась динамическими испытаниями натурного образца КМУ "Синеюрец-75". Разница между расчетными и экспериментальными максимальными величинами динамических сил на стрелах составляет менее 5%. Превышение расчетных значений по сравнению с экспериментальными объясняется рассеиванием энергии в конструкции КМУ.

Предложенная методика позволила оценить влияния нелинейности гидропривода на нагруженность конструкции. Сравнивались нелинейная и линейная расчетные схемы. В последних гидропривод стрел моделировался линейной пружиной с эквивалентной жесткостью. Результаты исследования (табл. 1) показываю!, что линеаризация приводит к занижению собственных частот колебаний конструкции на 10%, а также к завышению величины коэффициента динамичности стрел на 5%. Для нелинейных моделей значения собственных частот, приведенные в таблице, определялись с учетом линейной характеристики с эквивалентной жесткостью.

Таблица 1

Расчетная схема Частота колебаний, Гц Ускорение груза, м/с2 Перемещение груза, м Подъемная стрела, Кд Перегрузка на грузе

Линейная 0,67 6,43 0,34 1,54 1,64

Нелинейная 0,74 5,78 0,30 1,48 1,59

При моделировании процесса поворота и торможения груза колонной также использовались несколько моделей. Сначала на основе модели с сосредоточенными массами определялась силовая характеристика гидропривода колонны, затем на основе полученной характеристики и конечно-элементной модели всей конструкции проводился расчет динамических сил, моментов в элементах конструкции.

Расчетная силовая характеристика гидропривода колонны КМУ "Синего-рец-75" приведена на рис. 4 в виде зависимости момента торможения. Нелинейность зависимости обусловлена дросселированием рабочей жидкости через дроссели и гидравлические демпферы в крайних положениях колонны

Расхождение между расчетными и экспериментальными зависимостями для горизонтальной динамической силы на подъемной стреле обусловлено наложением на основную низкочастотную составляющую (0,3 Гц) дополнительной с часто-

той 9 Гц (рис. 5). Если дополнительную составляющую исключить, например, используя фильтр с частотой среза 2 Гц, то полученные расчетные зависимости близки к экспериментальным. Наличие в расчетах дополнительной составляющей обусловлено влиянием высших форм поперечных колебаний стрел как консольной балки. При испытаниях эти формы не проявляются из-за демпфирования конструкции.

М,, ясм

Рис. 4. Момент торможения колонны для "Синегорец-75"

Гиге

С использованием предложенной методики проведены расчеты и анализ динамических нагрузок КМУ "Синегорец" грузоподъемностью 25, 75, 110, 130 и

210 кН-м на основании которых проведены расчеты на прочность и разработана проектно-конструкторская документация, разработаны конструкция грузоподъемной стрелы "Синегорец-210" и механизм подъема аутригера, защищенные патентами.

Значения коэффициентов динамичности случая опускания и торможения груза подъемной стрелой приведены в табл. 2. Можно отметить, что предложенная методика позволила модернизировать "Синегорец-110", повысив грузоподъемность до 130 кН-м, за счет уменьшения скорости. В результате, при сохранении общего уровня нагруженности, снизилась соответствующая динамическая составляющая.

Таблица 2

Параметр Модель "Синегорец"

"С-25" "С-75" "С-110" "С-130" "С-210"

Колонна, Кд 1,17 1,46 1,55 1,27 1,18

Подъемная стрела, Кд 1,18 1,48 1,57 1,28 1,18

Выносная стрела, Кд 1,26 1,51 1,60 1,30 1,20

Телескопическая стрела, Кд 1,26 1,51 1,60 1,30 1,40

Уго, м/с 0,6 1,4 1,8 1,4 1,9

Мгр, кг 400 1000 1440 1700 400

Ь, м 6,0 7,8 7,8 7,8 20,5

Разработанная методика расчета нагруженности дает возможность свести конструкцию КМУ к упрощенной модели (одномассовой). Это позволяет при решении некоторых технических задач получить простые аналитические зависимости для нагрузок. Рассмотрим случай опускания и торможения груза в горизонтальном положении (рис. 6).

Рис. 6. Обобщенная кинематическая схема КМУ

Перемещение стрел в произвольном сечении х имеет вид:

У(Л t) = *(/)*-bt(x-+ <p2(t)(x~',)]S2(*-/,) + q(0 • /(*).

Кинетическая энергия системы КМУ-груз i

T = 0,5М • y2(l,t) + 0,5 Jw(jc) • ?(x,t)dx = 0,5M[^/, + 02(/ - /, ) + q f(l)f + о

t

+ 0,5 jwWC^xS, +{ФА +<p2(x-ll)]61+qf(x)fctx. (1)

о

Потенциальная энергия системы КМУ-груз

n = rjF1(97],r1)^+r2 |F2(A(o,r2)dA<p + 0,5|Е(дг)](х)я2 f\x)dx. (2)

0 0 0 Подставляя выражения (1), (2) в уравнения Лагранжа второго рода

</f этЛ от . . , _ d(dï\ an .

—— +-= 0, /=1,2; — — + — = 0.

dt{d<p,) д<р, dt{dq) Ôq

и используя свойство ортогональности 5,(л, -ll)-S2(xl -/,) = 0, получим систему

уравнений:

МАМ,, +ф2{1- /,)АМ12 + qAM13 + [ç,,/, + фг{1-/,) + 4 /^¡м + Г|(у"Г|)г' ~^4>.гг)гг = 0

>1

^,/,ЛМ21 + £(/ - /,)ЛМИ + qAMjj + [*/, + ?,(/ - /,) + q f(l)\ M + =0, (3)

' M

ft/,AMsl +<рг(1-1, )ЛМ32 + qAM„ + [<?,/, +^(/-/[) + q /r/JlM + qC„) =0,

(1, если 0<х</, , [0, если 0<*</.

где = Г ; 52(дг-/,) = ^ ; -углы

[0, если дс>/, [1, если х>/,

поворота подъемной и выносной стрел относительно осей, проходящих через шарниры стрел; г,,г2 - плечи гидроцилиндров подъемной и выносной стрел; Р[, Р2 - силы сопротивления гидроцилиндров подъемной и выносной стрел; q(<) -обобщенная координата; /(х) - нормированная форма низшего тона изгибных колебаний жестко соединенных подъемной и выносной стрел (/(/) = 1); / вылет стрел; /, - вылет подъемной стрелы; М - масса груза; V - скорость груза при торможении; т(х) - погонная масса подъемной и выносной стрел; Щх), 1(х) - соответственно, модуль упругости, момент инерции сечения; ДМи - коэффициенты

I

при ускорениях имеющие размерность масс; С^ = |Е(х)1(х) /2(х)сЬс - приведен-

0

ная к грузу изгибная жесткость стрел.

Оценки показали, что вместо вычисления значений ДМЧ хорошее приближение к величине ДМ достигается, если ее определять в виде ДМ = Д//2, где } момент инерции подъемной и выносной стрел относительно оси вращения стрелы подъема. Таким образом, усреднением колебательного процесса и приведением инерции стрел к грузу динамическая модель КМУ с тремя степенями свободы сводится к модели с одной степенью свободы.

Тогда система уравнений (3) заменяется одним уравнением

(ДМ + М^ + С^О, »

с начальными условиями 2^0)=0; ¿(0) = V,

где +^>2(/-/1) + <\/(1) - перемещение груза; С1 - суммарная жесткость

последовательно соединенных жесткостей, приведенных к грузу (стрел и гидроцилиндров стрел).

В линейной расчетной схеме силы сопротивления гидроцилиндров подъемной и выносной стрел линейно зависят от перемещений штоков

Р|(р1,г,) = С1<р|г1, ?2{К<р,г2) = С2{(р2 -<р{)г2 , где С[, С2 - жесткости гидроцилиндров подъемной и выносной стрел.

Учитывая нелинейность характеристик гидропривода, максимальную динамическую силу К2)™* целесообразно определять из условия равенства энергий

= (4)

1 о

а ко »ффициент динамичности по изгибающему моменту равен

К = 1 + ^(^)ямх

8(М + ДМ„) '

где ДМСТ = 0Сф 1^/1 - статически приведенный к грузу вес стрел; - со-

ответственно, вес и координата центра масс стрел.

В нелинейной расчетной схеме суммарная силовая характеристика, приведенная к грузу, определяется последовательным сложением податливостей от гидроцилиндров подъемной и выносной стрел и податливостей конструкций стрел. Максимальная динамическая сила Р(/)1пах и максимальное перемещение ^пих определяется путем графического решения уравнения (4).

Результаты для упрощенной модели (одномассовой) приведены в табл. 3. Сравнение табл. 1 и 3 показывает, что упрощенные модели дают завышенные ,

значения динамических параметров на 5-10% по сравнению с конечно-элементными моделями. Таким образом, при оценке нагруженности на этапе проектирования можно использовать упрощенные модели (одномассовые).

Таблица 3

Упрощенная расчетная схема Частота колебаний, Гц Ускорение груза, м/с2 Перемещение груза, м Подъемная стрела, Кд Перегрузка на грузе

Линейная 0,66 6,25 0,36 1,57 1,64

Нелинейная 0,72 5,36 0,33 1,49 1,55

В общем случае, когда масса стрел значительно превышает массу груза, величина Кд начинает заметно изменяться по длине стрел из-за влияния их инерции на распределение изгибающего моменга. Для "Синегорец-210" при общем вылете стрел 20,5 м изменение Кд по длине стрел достигает 20%. Поэтому учет распределения масс и упругости стрел вынуждает использовать численные методы при окончательных проверочных расчетах.

Динамические нагрузки КМУ имеют вероятностную природу т.к. зависят от разбросов нескольких случайных параметров. Таким образом, при оценке нагрузок целесообразно применять вероятностные подходы. При выполнении расчетов параметры, влияющие на динамические нагрузки, берутся в их наихудшем сочетании и по максимальным величинам.

Реализация крайних случаев нагружения может быть охарактеризована как редкое событие. Это обусловлено тем, что такие параметры как скорость опускания груза, масса груза, силы со стороны гидроцилиндров при торможении груза являются случайными величинами. Редкое событие характеризуется малой вероятностью его появления.

Определить величину вероятности в общем случае весьма сложно, т.к. необходимо знать закон распределения и функцию распределения вероятности. В общем случае математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение нагрузки могут быть определены в результате расчета на ЭВМ процесса нагружения за время одного типового цикла работы КМУ. Для расчета нагрузок по типовому циклу необходимо использовать соответствующую математическую модель, а полученные реализации обработать статистически. При определении числовых характеристик нагрузок КМУ требуется проведение большого объема вычислительных работ.

Разработанный способ вероятностной оценки нагрузок, когда усилие или момент выражается аналитической зависимостью от нескольких случайных параметров, заключается в том, что величина нагрузки выражается и следующем виде

Р = М[Р] + Гл/ВД , (5)

где М[Р],0{Р] - соответственно математическое ожидание, дисперсия нагрузки; у - коэффициент, величина которого зависит от закона распределения и сгг допустимого уровня вероятности не превышения случайной величиной значения Б, Для нормального закона распределения случайной величины и уровня вероятности не превышения величины Р равного 0,9973 коэффициент равен у = 3.

В качестве функции нагрузки используется аналитическая зависимость момента на стрелах, полученная на основе упрощенной модели (одномассовой)

КМУ. В случае опускания и торможения груза стрелой зависимость максимального изгибающего момента имеет вид

Мт = Ь8(мф (6)

где М^, Мсгр - масса груза, масса стрел статически приведенные к грузу; V -скорость груза перед торможением; Ь - максимальный вылет стрел; С- приведенная к грузу жесткость от сил сопротивления в гидроцилиндрах; У = (М1р + МСТ1,)ДМгр +АМет11); АМ^ - динамически приведенная к грузу масса стрел.

Матожидания скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел определяются расчетным путем с соответствующим варьированием влияющих на них параметров Для скорости путем изменения расхода рабочей жидкости. Для динамических усилий в гидроцилиндрах стрел путем изменения темпа торможения.

Диапазоны изменения параметров (скорости груза в момент торможения, силы сопротивления в гидроцилиндрах при торможении опускаемого груза на максимальном вылете) отражают влияние допусков настроек гидроаппаратуры (дросселей ограничителей расходов, предохранительных клапанов), а также скорости перемещения золотника гидрораспределителя из крайнего положения в нейтральное. Также эти матожидания могут быть определены экспериментально.

Диапазоны изменения и математические ожидания динамических усилий в гидроцилиндрах стрел можно определить на динамических испытаниях, изменяя темп торможения стрел и замеряя ускорение и перемещение груза. Аналогично можно определить реальные разбросы скорости груза перед торможением. Разброс величины массы груза, поднимаемого на максимальном вылете, можно определить только набором статистики.

В общем случае функция нагрузки р(х,,х2,...хп) имеет нелинейную зависимость от случайных параметров КМУ х1,х2,...хГ1. Полагая случайные величины независимыми, дисперсию нагрузки можно определить по правилу линеаризации функции случайных величин, используя разложение в ряд Тейлора с сохранением только линейных членов (первого порядка)

^aF(M[s,1,M[*2],...M[*„])V йг, ,

DM ,

где D[x,], М[х,] - дисперсия, математическое ожидание параметра х,.

В общем случае закон распределения случайных величин (Мгр, С, V) неизвестен. Как правило, на практике нормальный закон является предельным, к которому приближаются другие законы распределения случайных величин. Поэтому полагаем, что каждая их случайных величин (Мгр, С, V), в том числе и М„, распределены по нормальному закону.

После применения процедуры линеаризации к (6) и подставляя в (5) получим зависимость для момента

Мйзг = Ьё(кгтМп) + Мстр)+ куУЬ^ксСу(кгрМ^ + м^) +

О-ОЧ

8гъ2 +к2уУ2---+ 1 кгС

4 ктМт + М_

гр гр стр | гр гр стр

где ку = М[У]/УПИХ; кс = ЩС]/С„; к^ = М[Мф]/Мф1ШХ .

Математическое ожидание случайных параметров могут приниматься ориентировочно в диапазоне 0,6-0,8 от максимальных величин. Для расчетов необходимы обоснованные значения математических ожиданий таких параметров как скорость опускания груза, усилия сопротивления в гидроцилиндрах, массы грузов. Значения кф принимаются из данных статистики по величинам масс грузов, поднимаемых КМУ на максимальном вылете. При отсутствии этих данных можно принять значение кф = 0,75, соответствующее среднему коэффициенту нагруже-

ния для самого тяжелого класса нагружения кранов <34.

На основе полученных зависимостей были проведены расчетные оценки из-гибного момента для возможных вариантов разбросов случайных величин КМУ "Синегорец-75":

1) если кф = кс = 0,75,то М^/М^ =0,93;

2) если к^ = 0,75, кс - 0,6, то М^/М^ = 0,9;

3) если кф -кс = ку = 0,75, то М^/М^ = 0,9.

Таким образом, учет случайного характера параметров при принятых коэффициентах разброса случайных параметров и величины вероятности не превышения снижает максимальный расчетный изгибающий момент на стрелах на 7-10%.

Предложенный вероятностный способ оценки нагрузок защищен патентом №2194258. Данный способ предложен впервые в отрасли, поэтому требуются уточнения, подтверждения, набор статистики. При оценке прочности для экстремальных и вероятностных величин нагрузок необходимо использовать различные значения коэффициентов безопасности (запасов прочности). Коэффициенты безопасности для крайних режимов должны быть снижены т.к. реализация крайних режимов является редким событием.

В третьей главе приведены программа, методика и результаты экспериментальных исследований на натурном образце КМУ нагруженности конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы. Динамические испытания натурного образца "Синегорец-75" проводились на специально разработанном и изготовленном испытательном стенде предприятия ЗАО "НК Урал-терминалмаш" (рис. 7) в соответствии с разработанной методикой проведения динамических испытаний.

Рис 7 Испытательный стенд и схема установки средств измерений: Р1.. .Р6 - датчики давлений; Ау, А7. - датчики ускорений; Е1... Е16 - датчики деформаций; , Щг - датчики угловых скоростей

В ходе нагружения КМУ измерялись деформации стрел, угловые скорости стрел и колонны, линейные ускорения мерного груза, давления в гидроцилиндрах и других элементах гидросистемы. На КМУ были смонтированы соответствующие средства измерения и контрольно-измерительная аппаратура. Для задействования гидросистемы КМУ использовался насосный агрегат питания (НАП), с приводом от электродвигателя. Насос обеспечивал на входе в гидросистему постоянный расход рабочей жидкости 60 л/мин и давление 16 МПа.

Датчики деформаций (тензодатчики) были установлены в наиболее нагруженных сечениях на стрелах, так что одни датчики были чувствительны к воздействию нагрузок в вертикальном направлении, а другие - в поперечном направлении. Перед испытаниями в процессе статической тарировки тснзодатчиков головку стрелы нагружали статической нагрузкой. Нагружение осуществлялось от нуля до максимума с фиксацией показаний датчиков и определением тарировочных кривых в каждом сечении. При этом нагружение в вертикальной плоскости осуществлялось мерным грузом, удерживаемым грейферным захватом, нагружение в горизонтальной плоскости путем приложения к головке стрелы заданной горизонтальной силы.

Динамическое нагружение конструкции КМУ осуществлялось путем перемещения и торможения груза в вертикальном направлении и в поперечном направлении. В процессе испытаний воспроизводились три режима нагружения КМУ: опускание и торможение груза подъемной стрелой; опускание и торможение груза выносной сгрелой, поворот и торможение грую колонной.

Экспериментальными исследованиями установлено следующее (рис. 8): наибольшие динзмичрскир нагрузки возникают при торможении опускающейся подъемной стрелы с грузом; высокочастотные колебания затухают практически в течение 0,5-1 ,0 периода низкочастотных колебаний; наибольшие нагрузки реали-

зуются в течение первого колебания низшей частоты; основные амплитуды колебаний нагрузок происходят на нескольких низших частотах.

р.т

Рис. 8. Динамическое усилие на подъемной стреле: а - случай действия вертикальных нагрузок; б - случай действия горизонтальных нагрузок

В приложения вынесены фотографии динамических испытаний натурного образца КМУ "Синегорец-75", алгоритм определения силовой характеристики гидроприводов стрел и описание конечно-элеменгной модели "Синегорец-75".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан стандарт предприятия "Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности" (ЗАО "НК Уралтерминалмаш") в котором обобщены основные положения для расчетов динамических нагрузок и определены расчетные случаи нагружения КМУ (кинематические положения стрел) с учетом особенностей условий эксплуатации и конструкции.

2. Разработаны математические модели и методика расчета динамических нагрузок при переходных режимах работы КМУ с учетом влияния упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов). Эффективность и достоверность методики подтверждена динамическими испытаниями натурного образца КМУ "Синегорец-75". Расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет менее 5%.

3. На основе упрощенной модели (одномассовой) разработан и защищен патентом способ определения динамических нагрузок, позволяющий учитывать влияние случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел. Учет случайных отклонений этих параметров для КМУ "Синегорец-75" позволили уменьшить на 7-10% максимальный расчетный изгибающий момент на стрелах.

4. С использованием разработанных методик проведены расчеты и анализ динамических нагрузок КМУ "Синегорец" грузоподъемностью 25, 75, 110,130 и 210 кН м на основании которых проведены расчеты на прочность и разработана проектно-конструкторская документация, разработаны конструкция грузоподъемной стрелы "Синегорец-210" и механизм подъема аутригера, защищенные патентами.

5. С целью нормирования величин коэффициентов безопасности необходимо дальнейшее исследование влияния рассеивания эксплуатационных факторов на нагруженность КМУ.

6 Разработанные положения и методики расчета нагруженности КМУ могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, изготавливающих КМУ, а также при решении аналогичных задач в других областях техники.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Сагдеев К.Б. Метод определения динамических нагрузок манипулятора// Сборник докладов и материалов 1-го семинара Сибирского научно-исследовательского института имени С.А. ЧАПЛЫГИНА. "Проблемы развития гидропривода в различных отраслях промышленности". - Новосибирск: СИБНИА, 2003. - С. 28-29.

2. Метод расчета динамической нагруженности крано-манипуляторной установки/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б. Оконьский, И.С. Смолкин// XXIV Рос-

сийская школа по проблемам нгуки и технологий. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004.- С. 166-169.

3. Экспериментальное исследование динамической натружен но ста крано-манипуляторной установки/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б. Омоньский, И.С. Смолкин// XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий. -Екатеринбург УрО РАН, 2004.- С. 169-172.

4. Сагдеев К.Б., Павлюк Ю.С. Специальные кр ано-манипулятор ные установки: Учебное пособие.- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ,2005. 74 с.

5. Патент на изобретение №2116210 Аутригер/К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б.Омэньский и др.- 1998.- 18 с.

6 Патент на изобрегение №2194258. Способ определения динамических сил/К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, И.С Смолкин и др.-2002.- 14 с.

7. Патент на изобретение №2240973. Грузоподъемная стрела крано-манипуляторной установки/ К.Б Сагдеев, B.C. Мошкин, И.С. Смолкин и др. -2002.-62 с.

Сагдеев Константин Борисович

ОПРЕДЕЛЕННЕЙ АГРУЖЕННОСТИ КРАНО-МАНИПУЛЯЮРНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Специальность 01 Й2Й6 "Динамика, прочность машин, приборови аппаратурьГ

Автореффат диссфтации на соисканиеученой степени кандидата технических нау к

Издательство Южно-Уральского государственного университета

Подписано впечать 20.04 2006. Фор мат 60x84 1 Пв. Печать офсетная. Усл.печ.л.! ,16.Уч.-иац.л. 1 .ТиражЮО экз.Заказ85.

УОП Издательства 454080,г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина,76.

ЛообА.

/о

$1 039

?

С

0. Введение

0.1. Актуальность работы

0.2. Цель работы и задачи

0.3. Объекты и методы исследований

0.4. Научная новизна и практическая значимость работы

0.5. Положения, выносимые на защиту

0.6. Структура работы

1. Состояние вопроса определения динамической нагруженности крано-манипуляторных установок

1.1. Условия эксплуатации и особенности конструкции

1.1.1. Область применения

1.1.2. Конструкция крано-манипуляторной установки

1.1.3. Характер рабочих процессов лесозаготовительных крано-манипуляторных установок

1.2. Методы анализа нагружения и прочности конструкций

1.2.1. Метод условных нагрузок

1.2.2. Метод воспроизведения эксплуатационных нагрузок

1.2.3. Вероятностно-статистический метод ф 1.3. Нормативная база и исследования динамической нагруженности

1.3.1. Нормативные требования

1.3.2. Расчетные методы

Создание крано-манипуляторных установок (КМУ) является одним из новых, перспективных направлений развития грузоподъемной техники. Благодаря своей универсальности и экономической эффективности они нашли широкое применение в лесной и деревообрабатывающей промышленности (лесозаготовительные), в строительстве, при переработке и сборе металлолома.

Крано-манипуляторные установки отличаются нестационарным режимом работы. Рабочий процесс представляет собой переменную комбинацию закономерных и случайных сочетаний движущих сил и сил сопротивления, обуславливающих в общем случае неустановившийся характер работы. Наиболее тяжелыми режимами работы являются переходные. Поэтому надежность конструкций зависит от характера изменения и значений динамических нагрузок, возникающих при переходных режимах работы.

Особенности конструкций стрел и их гидроприводов не позволяют полностью распространить на крано-манипуляторные установки результаты исследований нагруженности кранов, а результаты существующих зарубежных исследований в области нагруженности крано-манипуляторных установок для нас недоступны. В связи с этим для нового класса грузоподъемных машин недостаточно разработаны подходы к оценке нагруженности (расчетные условия на-гружения, расчетные случаи), отсутствуют корректные методики расчета динамических нагрузок.

Все это приводит к неоптимальности и неравнопрочности конструкции и как следствие к увеличению массы, снижению надежности и к увеличению объема испытаний. Таким образом, исследование нагруженности и разработка эффективных методов расчета динамических нагрузок крано-манипуляторных установок являются актуальными проблемами.

0.2. Цель работы и задачи

Цель диссертации состоит в определении нагруженности крано-манипуляторных установок при переходных режимах работы на основе исследований условий эксплуатации и выделения расчетных случаев нагружения, моделирования рабочих процессов с учетом упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов).

В соответствии с целью работы, и исходя из проведенного анализа состояния вопроса, поставлены следующие основные задачи:

- определить расчетные условия нагружения, выделить основные расчетные случаи нагружения конструкции КМУ (кинематические положения стрел);

- разработать математические модели КМУ, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов на динамическую нагруженность при переходных режимах работы;

- на натурном образце КМУ экспериментально определить нагруженность конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы;

- установить влияние на нагруженность случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел;

- разработать методику построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизмов поворота стрел (гидроцилиндр, гидроцилиндр совместно с качалкой и шатуном, гидроцилиндр совместно с шарнирно-рычажной системой).

0.3 Объекты и методы исследований

Объектом исследования являются КМУ марки "Синегорец", серийно выпускаемые предприятием ЗАО "НК Уралтерминалмаш" (г. Миасс).

Теоретические исследования динамических процессов, протекающих при эксплуатации КМУ, проводятся на основе метода кинетостатики с применением методов аналитической механики, гидравлики и численных методов. При разработке динамических моделей конструкций используются метод конечных элементов (пакет программ COSMOS), а также метод, построенный на уравнениях Лагранжа.

Экспериментальные исследования натурного образца КМУ "Синего-рец-75" с целью подтверждения результатов теоретических исследований проводятся на специально разработанном и изготовленном испытательном стенде предприятия ЗАО "РЖ Уралтерминалмаш".

Задача динамической нагруженности КМУ с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел решается на основе вероятностно-статического метода с применением предложенной в настоящей работе методики расчета нагруженности и элементов теории вероятности.

Для исследования грузоподъемности КМУ используются методы аналитической механики и метод матриц для решения прямой задачи кинематики.

0.4. Научная новизна и практическая значимость работы

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Обобщены основные положения для расчетов динамических нагрузок, определены расчетные случаи нагружения крано-манипуляторных установок (кинематические положения стрел), изложенные в разработанном стандарте предприятия.

2. Разработаны математические модели крано-манипуляторных установок, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов) на динамическую на-груженность при переходных режимах работы. Предложенный подход также позволяет свести конструкции крано-манипуляторных установок к упрощенной модели (одномассовой) при расчете нагрузок.

3. На основе упрощенной модели (одномассовой) разработан и защищен патентом способ определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел.

Теоретическая значимость проведенных исследований заключается в дальнейшем развитии методик математического моделирования динамического поведения сложных механических систем, к которым относятся рассмотренные в данной работе КМУ.

Практическая значимость работы состоит во внедрении во все КМУ марки "Синегорец", находящиеся в серийном, опытном изготовлении и эксплуатации следующих результатов теоретических и экспериментальных исследований:

- в обобщение основных положений для расчетов динамических нагрузок и определение расчетных случаев нагружения КМУ (кинематические положения стрел), включенных в разработанный стандарт предприятия "Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности" (ЗАО "РЖ Уралтерминал-маш");

- математических моделей и методики расчета динамических нагрузок в упругих связях КМУ с учетом влияния упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов при переходных режимах работы позволяющих повысить точность расчетов нагрузок и, как следствие, улучшить технические характеристики проектируемых КМУ;

- методики экспериментальных исследований на натурном образце КМУ нагруженности элементов конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы;

- способа определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел;

- методики построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизма поворота стрел.

0.5. Положения, выносимые на защиту

Научные положения, выносимые на защиту:

- Перечень основных расчетных случаев нагружения КМУ (кинематические положения стрел).

- Математические модели КМУ, позволяющие учитывать влияние упругих деформаций стрел, податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов на динамическую нагру-женность при переходных режимах работы.

- Методика расчета динамических нагрузок КМУ при переходных режимах работы, конечно-элементная и упрощенная (одномассовая) модели, позволяющие учитывать упругие деформации стрел, податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристики предохранительных клапанов.

- Результаты экспериментальных исследований на натурном образце КМУ нагруженности элементов конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы.

- Способ определения динамических нагрузок с учетом случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел.

- Методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизма поворота стрел.

0.6. Структура работы

В первой главе приведен обзор литературы по вопросам, посвященным разработке теоретических основ динамики рабочих процессов КМУ и другой грузоподъемной техники. В второй главе приведена методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ, обобщены основные положения для расчета динамических нагрузок. Предлагаемые автором модели и методика расчета динамических нагрузок в упругих связях КМУ при переходных режимах работы, способ определения динамических нагрузок на основе вероятностно-статического метода сформулированы во второй главе диссертации. Третья глава посвящена экспериментальному исследованию динамической нагруженности натурного образца КМУ на основе использования специально разработанных методики и испытательного стенда. и

3.6. Основные выводы по третьей главе

1. Высокочастотные колебания затухают практически в течение 0,5-1,0 периода низкочастотных колебаний.

2. Наибольшие нагрузки реализуются в течение первого колебания низшей частоты.

3. Основные амплитуды колебаний нагрузок происходят на нескольких низших частотах.

4. Наибольшие динамические нагрузки возникают при торможении опускающейся подъемной стрелы с грузом.

5. В результате экспериментального исследования определены величины и характер изменения основных динамических параметров нагружения конструкций стрел и их гидроприводов КМУ при переходных режимах работы.

123

Заключение

1. Разработан стандарт предприятия "Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности" (ЗАО "НК Уралтерминалмаш") в котором обобщены основные положения для расчетов динамических нагрузок и определены расчетные случаи нагружения КМУ (кинематические положения стрел) с учетом особенностей условий эксплуатации и конструкции.

Разработаны математические модели и методика расчета динамических нагрузок при переходных режимах работы КМУ с учетом влияния упругих деформаций стрел и особенностей гидроприводов стрел (податливостей рабочей жидкости и элементов гидропривода, характеристик предохранительных клапанов). Эффективность и достоверность методики подтверждена динамическими испытаниями натурного образца КМУ "Синегорец-75". Расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет менее 5%.

Предложенная методика расчета нагруженности позволила при решении некоторых технических задач получить простые аналитические зависимости для динамических характеристик на основе упрощенной модели (одномассо-вой). В частности, для коэффициента динамичности была получена зависимость в виде функции параметров КМУ, скорости груза и усилий в гидроцилиндрах стрел. Полученные зависимости обосновывают и развивают известные в литературе формулы расчета этих характеристик.

Предложенная методика расчета нагруженности позволила оценить влияния нелинейности гидропривода на нагруженность конструкции. Линеаризация силовых характеристик гидроприводов стрел приводит к завышению величины коэффициента динамичности для стрел на 5% и к занижению собственных частот на 10%.

Использование методики позволяет: повысить точность расчетов нагрузок; определять коэффициенты динамичности для различных элементов звеньев; на этапе проектирования КМУ сократить время и повысить точность инженерных расчетов при определении параметров конструкций стрел, гидросистемы и, как следствие, улучшить технические характеристики проектируемых КМУ (весовое совершенство, надежность).

2. На основе упрощенной модели (одномассовой) разработан и защищен патентом способ определения динамических нагрузок, позволяющий учитывать влияние случайного характера отклонений от средних величин массы груза, скорости груза и динамических усилий в гидроцилиндрах стрел. Учет случайных отклонений этих параметров для КМУ "Синегорец-75" позволили уменьшить на 7-10% максимальный расчетный изгибающий момент на стрелах.

При оценке прочности для экстремальных и вероятностных величин нагрузок необходимо использовать различные значения коэффициентов безопасности. С целью нормирования величин коэффициентов безопасности необходимо дальнейшее исследование влияния рассеивания эксплуатационных факторов на нагруженность КМУ.

3. С целью получения экспериментальных оценок нагруженности конструкций стрел и их гидроприводов при переходных режимах работы, а также подтверждения расчетных величин нагрузок проведены динамические испытания натурного образца КМУ "Синегорец-75" по специально разработанной методике с применением ПК.

В результате экспериментального исследования определены величины и характер изменения основных динамических параметров нагружения конструкций стрел КМУ и их гидроприводов при переходных режимах работы. Расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет менее 5%.

Объем проведенных динамических испытаний и полученные результаты измеряемых параметров достаточны для проведения подробного анализа нагруженности.

Разработанная методика испытаний может использоваться для определения нагруженности при раздельном и совместном движении звеньев.

4. Определены условия использования наибольшей грузоподъемности КМУ (конфигурации стрел для каждой зоны), изложенные в эксплуатационной документации для КМУ "Синегорец".

Разработана методика построения грузовысотной характеристики лесозаготовительной КМУ для трех вариантов исполнения механизмов поворота стрел (гидроцилиндр, гидроцилиндр совместно с качалкой и шатуном, гидроцилиндр совместно с шарнирно-рычажной системой). С использованием предложенной методики определены грузовысотные характеристики КМУ "Синегорец" грузоподъемностью 25, 75, 110, 130 и 210 кН м.

Предложен расчетный показатель для оценки совершенства грузовысотной характеристики. Показатель позволяет сравнивать грузовысотные характеристики КМУ, различных по грузоподъемности и конструктивному исполнению.

Из трех рассмотренных вариантов исполнения механизмов поворота стрел наибольший показатель имеет шарнирно-рычажная система. Таким образом, эта система обеспечивает наиболее "спрямленную" грузовысотную характеристику КМУ.

5. С использованием разработанных методик проведены расчеты и анализ динамических нагрузок КМУ "Синегорец" грузоподъемностью 25, 75, 110, 130 и 210 кН-м на основании которых проведены расчеты на прочность и разработана проектно-конструкторская документация, разработаны конструкция грузоподъемной стрелы "Синегорец-210" и механизм подъема аутригера, защищенные патентами.

В результате экспериментальных исследований нагруженности конструкций стрел и их гидроприводов на натурном образце КМУ "Синегорец-75" были разработаны рекомендации по корректировке конструкторской документации.

Основные положения настоящей работы были использованы при разработке стандарта предприятия "Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности" (ЗАО "НК Уралтерминалмаш").

Разработанные положения и методики расчета нагруженности КМУ могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, изготавливающих КМУ, а также при решении аналогичных задач в других областях техники.

1. Абрамович И.И., Котельников Г.А. Козловые краны общего назначения. -М.: Машиностроение, 1983. 232 с.

2. Александров В.А., Троязыков В.М. Исследование динамики гидроманипулятора валочно-пакетирующей машины. Научн. Труды ЛТА. JL, 1972, №150. -С. 80-85.

3. Александров В.А. Проектирование специальных лесных машин. JL: ЛТА, 1977.-51 с.

4. Александров В.А. Динамические нагрузки в лесосечных машинах. JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. - 152 с.

5. Александров В.А. Моделирование взаимодействия лесных машин с предметом труда и внешней средой. Л.: ЛТА, 1987. - 82 с.

6. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. М.: Высшая школа, 1985.-558 с.

7. Александров М.П., Колобов Л.Н., Лобов Н.А. и др. Грузоподъемные машины. М.: Машиностроение, 1986. - 398 с.

8. Алябьев В.И. Оптимизация производственных процессов на лесозаготовках. М.: Лесная промышленность, 1977. - 231 с.

9. Алябьев В.И., Ильин Б.А. Сухопутный транспорт леса. М.: Лесная промышленность, 1990.-414 с.

10. Ю.Андрэ П., Кофман Ж-М. Конструирование роботов. М.: Мир, 1986.358 с.

11. П.Брауде В.И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин. -Л.: Машиностроение, 1978.-231 с.

12. Брауде В.И. Системные методы расчета грузоподъемных машин. Л.: Машиностроение, 1985.- 181 с.

13. П.Брауде В.И., Семенов Л.И. Надежность подъемно-транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1986. - 182 с.

14. М.Бурносов А.Д. Мобильный испытательный комплекс// Монтажные и специальные работы в строительстве. 2001. - №3. - С. 13-14.

15. Вайнсон А.А. Строительные краны. М.: Машиностроение, 1969.488 с.

16. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1989.-535 с.

17. Виногоров Г.К. К методике обоснования расчетных деревьев при решении лесоэксплуатационных задач. Труды ЦНИИМЭ. Химки, 1971, №122. -С. 51-67.

18. Волобоев В.Г., Коротких П.В. Уравнения движения элементов рабочего оборудования экскаватора. Сб. научн. Трудов, СибАДИ. Омск, 2000, №3. -С. 83-93.

19. Волобоев В.Г. Аналитическое определение динамических нагрузок на элементы рабочего оборудования землеройных машин// Строительные и дорожные машины. 2003. - №3. - С. 36-39.

20. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов и отва-лообразователей. -М.: Машгиз, 1969.-406 с.

21. Волков Д.П., Николаев С.Н. Надежность строительных машин и оборудования. М.: Высшая школа, 1979. - 400 с.

22. Волков Д.П., Алешин Н.И. Строительные машины. М.: Высшая школа, 1988.-318 с.

23. Воронов С.А., Кондратьева Л.Ю., Романов А.В. Методика расчёта динамических параметров стрелы экскаватора при разгоне и торможении// Строительные и дорожные машины. 2001. - №12. - С. 29-32.

24. Горожанинов Ю.И. Ресурс и надежность несущих конструкций автомобилей сверхвысокой проходимости. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1997. - 146 с.

25. Гороховский К.Н., Лившиц Н.В. Основы технологических расчетов оборудования для лесосечных и лесоскладских работ. М.: Лесная промышленность, 1973.-408 с.

26. ГОСТ 27555-91. Краны грузоподъемные. Требования к точности измерений параметров при испытаниях.

27. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. Д.: Машиностроение, 1969. - 520 с.

28. Гриневич Г.П., Каменская Е.А. Надежность строительных машин. М.: Стройиздат, 1983.-296 с.

29. Гриненко М.И., Макеев В.П., Павлюк Ю.С. Статистические задачи динамики упругих конструкций. М.: Наука, 1984. - 232 с.

30. Грифф М.И., Затван Р.А., Трофименков В.Ф. Автотранспортные средства с грузоподъемными устройствами для перевозки грузов в контейнерах и пакетах. -М.: Транспорт, 1989. 159 с.

31. Грифф М.И., Затван Р.А. Зарубежные и отечественные бортовые манипуляторы и краны для самопогрузки и саморазгрузки автотранспортных средств. М.: ВНИИНТПИ, 1991.-56 с.

32. Гриф М.И. Основы создания и развития специализированного автотранспорта для строительства. М.: Изд-во АСВ, 2003. - 144 с.

33. Грузоподъемные краны. Пер. с нем./ Под ред. Александрова М.П., М.: Машиностроение, Кн. 1, 1981.-216 е., Кн. 2, 1981.-287 с.

34. Дорощенко В.И., Гинзбург А.А. Гидросистемы чувствительные к нагрузке: проблемы и решения// Строительные и дорожные машины. 1998. - №5. -С. 34-39.

35. Емтыль З.К. Основы повышения технического уровня гидроманипуляторов. Майкоп: МГТИ, 2000. - 220 с.

36. Емтыль З.К., Склемин М.В. О динамической нагруженности и быстродействии механизма подъема стрелы гидроманипулятора// Гидравлика и пневматика.-2001.-№2.-С. 14-16.

37. Емтыль З.К., Склемин М.В. Исследование зависимости динамической нагруженности и производительности гидроманипуляторов от характеристик гидрораспределителей и их предохранительных клапанов// Гидравлика и пневматика. -2001.-№1.-С. 9-13.

38. Емтыль З.К., Смыков А.А. Исследование динамической нагруженности механизмов подъёма стрелы и поворота манипулятора при торможении совместно движущихся звеньев// Гидравлика и пневматика. 2001. - №2. - С. 16-20.

39. Емтыль З.К., Смыков А.А. Исследование динамической нагруженности и быстродействия механизма поворота манипулятора в различных режимах// Гидравлика и пневматика. 2001. - №2. - С. 20-23.

40. Жуков А.В., Кадолко Л.И. Основы проектирования специальных лесных машин с учетом их колебаний. М.: Машиностроение, 1978. - 263 с.

41. Жуков А.В., Леонович И.И. Колебания лесотранспортных машин. -Минск: Изд-во БГУ, 1973. 239 с.

42. Жуков А.В. Проектирование лесопромышленного оборудования. -Минск: Высшая школа, 1990. 311 с.

43. Казак С.А. Усилия и нагрузки в действующих машинах. Краны и экскаваторы. Свердловск: 1960. - 168 с.

44. Казак С.А. Динамика мостовых кранов. М.: Машиностроение, 1968.331 с.

45. Казак С.А. Основы проектирования и расчета крановых механизмов. -Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1987. 181 с.

46. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1983.200 с.

47. Коровкин В.Г., Струк М.В. Совершенствование лесозаготовительной техники жизненная необходимость// Строительные и дорожные машины. - 2002. -№6.-С. 38-40.

48. Коровкин В.Г. Североамериканская лесозаготовительная техника// Строительные и дорожные машины. 2003. - №11. - С. 24-30.

49. Круль К. Расчет нагрузок и напряженного состояния конструкции экскаватора "Браваль"// Строительные и дорожные машины. 2001. - №12. - С. 37-40.

50. Круль К., Олеярчик К. Влияние геометрических параметров ходовой рамы экскаватора на ее жесткость и напряженное состояние// Строительные и дорожные машины. 2003. - №10. - С. 36-39.

51. Кульминский А.Ф. Лесопогрузчики// Строительные и дорожные машины. 2001. - №2. - С. 26-29.

52. Кушляев В.Ф. Исследование кинематики и динамики дерева при беаспо-вальном способе рубки в молодняке. Труды ЦНИИМЭ, Химики. 1971, № 120. -С. 116-125.

53. Лобов Н.А. Динамика подъема груза мостовыми кранами. Тр. МВТУ, 1982, №371.-С. 42-75.

54. Лобов Н.А. Динамика грузоподъемных кранов. М.: Машиностроение, 1987.-160 с.

55. Лифшиц М.И. Оценка эксплуатационных качеств стреловых кранов по совокупному грузовысотному моменту// Строительные и дорожные машины. -1986.-№10.-С. 24-26.

56. Манипуляторы фирмы Palfinger// Строительные и дорожные машины. -1998.-№8.-С. 34-36.

57. Механика промышленных роботов. Кинематика и динамика. Кн. 1/ Под ред. Фролова К.В., Воробьева Е.И., М.: Высшая школа, 1988. - 304 с.

58. Можаев Д.В., Плюшкин С.Н. Механизация лесозаготовок за рубежом. -М.: Лесная промышленность, 1988.-284 с.67.0рлов С.Ф., Помогаев С.А., Жуков А.В., Александров В.А. Проектирование специальных лесных машин. Л.: Машиностроение, 1975. - 219 с.

59. Полетайкин В.Ф., Моисеев Е.Н., Сергий М.Е. Техника измерений нагруженности мобильных машин// Строительные и дорожные машины. 2001. - №1. -С. 26-28.

60. Полищук А.П. Валка леса. М.: Машиностроение, 1972. - 175 с.

61. ПБ 10-382-00. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. М.: Госгортехнадзор, 1992. - 127 с.

62. ПБ 10-257-98. Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов-манипуляторов. М.: ПИО ОБТ, 1999. - 208 с.

63. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1987.-464 с.

64. Проект европейского стандарта "Грузоподъемный кран-манипулятор". prEN 12999 /Пер. с англ. А.А. Зарецкий М.: ВНИИстройдормаш, 2001. - 44 с.

65. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ// Под ред. Малиновского Е.Ю. М.: Машиностроение, 1980. - 216 с.

66. РД 10-146-97 Руководящий документ. Требования к проектированию и изготовлению грузоподъемных кранов-манипуляторов. М.: Ассоциация "КРАМ", 1997. - 134 с.

67. РД 22-207-88. Машины грузоподъемные. Общие требования и нормы на изготовление. М.: ВНИИстройдормаш, 1988. - 112 с.

68. РД 24.225.03-90 Руководящий документ. Краны стреловые самоходные. Металлические конструкции. Нормы расчета. М.: ВНИИстройдормаш, 1990. -59 с.

69. Рекламные проспекты изготовителей кран-манипуляторных установок "Loglift", "Penz", "Epsilon" и др.

70. Сегерлинд JI. Дж. Применение метода конечных элементов/ Пер. с англ. А.А. Шестакова: Под ред. Б.Е. Победри М.: Мир, 1979. - 392 с.

71. Смолкин И.С. Некоторые вопросы динамики конструкций морских ракет, пусковых установок и кранов-манипуляторов// Наука и технологии: Труды XXIII российской школы, М.: РАН, 2003. С. 104-111.

72. Соловкин Д.А., Носков В.И. Методика автоматизированного контроля объема погрузочных испытаний гидравлических экскаваторов 4-й размерной группы// Строительные и дорожные машины. 2004. - №3. - С. 30-34.

73. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Коваленко М.В. Математическое моделирование динамических процессов рабочего оборудования при проектировании экскаваторов// Строительные и дорожные машины. 2002. - №9. - С. 41-43.

74. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Коваленко М.В. Применение методов аналитической механики при проектировании строительных машин// Строительные и дорожные машины. 2003. - №1. - С. 28-30.

75. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Козлов М.В. Аналитическое проектирование механических систем на примере экскаватора// Строительные и дорожные машины. 2003. - №2. - С. 31-33.

76. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Коваленко М.В. Методика аналитического проектирования рабочего оборудования фронтального погрузчика// Строительные и дорожные машины. 2004. - №4. - С. 37-41.

77. Теория, конструкция и расчет строительных и дорожных машин./ Под ред. Гобермана JI.A., М.: Машиностроение, 1979. 407 с.

78. Тимошенко С.П., Янг Д., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.-439с.

79. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций: Т. 1/Под ред. Гохберга М.М. М.: Машиностроение, 1988. - 535 с.

80. Шелмич P.P. Динамические нагрузки и устойчивость автокрана на упругом основании// Строительные и дорожные машины. 1996. - №4. - С. 32-33.

81. Шелунов Ю.В., Ильин Г.П. Машины и оборудование для лесозаготовок, лесосплава и лесного хозяйства. М.: Лесная промышленность, 1982. - 520 с.

82. Шимкович Д.Г. Расчет и проектирование металлоконструкций лесных машин. М.: МЛТИ, 1992. - 150 с.

83. Шимкович Д.Г. Проектирование грузоподъемных манипуляторов. М.: МГУЛ, 1995.-180 с.

84. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windos. М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 с.

85. Шишков Н.А. Безопасная эксплуатация грузоподъемных кранов в строительстве. М.: Стройиздат, 1992. - 126 с.

86. Шишков Н.А. Надежность и безопасность грузоподъемных машин. М.: Недра, 1990.-251 с.

87. Щемелев A.M., Лесковец И.В. Математическая модель фронтального пневмоколесного погрузчика с демпфирующей подвеской рабочего оборудования// Строительные и дорожные машины. 2000. - №5. - С. 28-32.

88. М.Р. Grover, М. Weiss, R.N. Nagel, N.G. Odrey Industrial Robotics: Technology, Programming and Applications, McGraw-Hill, New-York, 1986. 540 c.1. Работы автора

89. Метод расчета динамической нагруженности крано-манипуляторной установки/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б. Оконьский, И.С. Смолкин// XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий. Екатеринбург: УрО РАН, 2004.-С. 166-169.

90. Экспериментальное исследование динамической нагруженности крано-манипуляторной установки/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б. Оконьский, И.С. Смолкин// XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий. -Екатеринбург: УрО РАН, 2004. С. 169-172.

91. СТП 06/НК-004-04, Стандарт предприятия. Краны-манипуляторы грузоподъёмные. Нормы прочности/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б. Оконьский, В.А. Пяткин, И.С. Смолкин г. Миасс, ЗАО "НК Уралтерминалмаш", 2004. - 20 с.

92. Патент на изобретение №2116210. Аутригер/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, А.Б. Оконьский и др. 1998. - 18 с.

93. Патент на изобретение №2194258. Способ определения динамических сил/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, И.С. Смолкин и др. 2002. - 14 с.

94. Патент на изобретение №2240973. Грузоподъемная стрела крано-манипуляторной установки/ К.Б. Сагдеев, B.C. Мошкин, И.С. Смолкин и др. -2002. 62 с.

95. Сагдеев К.Б., Павлюк Ю.С. Специальные крано-манипуляторные установки: Учебное пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 74 с.

96. Закрытое акционерное общество

97. Акт о реализации научных положений и выводов работ диссертанта Сагдеева Константина Борисовича

98. Настоящим актом констатируется, что работы тов. Сагдеева К.Б. по своей тематике соответствуют профилю деятельности предприятия ЗАО "НК Уралтерминалмаш" (г. Миасс, Челябинской обл.).

99. Таким образом, результаты диссертационной работы К.Б. Сагдеева внедрены во все КМУ марки "Синегорец", находящихся в серийном, опытном изготовлении и эксплуатации.j1. Директор по развитииканд. технических наук1. А.Б,.Оконьский.

100. Начальник расчетно-теоретического бюро, канд. технических нау1. В.А. Пяткин