Исследование работы механизмов передвижения портальных кранов в морских портах при ветровых нагрузках
На правах рукописи
ПОДОБЕД НАТАЛЬЯ ЕВГЕНЬЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ В МОРСКИХ ПОРТАХ ПРИ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗКАХ Специальность 05.22.19 – эксплуатация водного транспорта, судовождение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Мурманск – 2010
Работа выполнена в морской академии ФГОУ ВПО "Мурманский государственный технический университет"
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Гагарский Энгельс Александрович
Официальные оппоненты:
заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Гаранин Николай Петрович кандидат технических наук, доцент Ходяков Игорь Васильевич
Ведущая организация: ОАО "Научно-исследовательский и проектно конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота "ГИПРОРЫБФЛОТ".
Защита диссертации состоится 25 мая 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета К 307.009.02 при Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортив ная, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета.
Автореферат размещен на сайте МГТУ www.mstu.edu.ru "_" апреля 2010 г.
Автореферат разослан "_" апреля 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент А. Б. Власов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основным перегрузочным оборудованием морских портов являются портальные краны, работа которых в настоящее время разрешается до паспортных значений скоростей ветра 18–20 м/с.
Однако, как показывает практика, при эксплуатации портальных кранов при таких ветровых нагрузках наблюдаются случаи их угона, а в некото рых случаях угон кранов с последующей потерей их устойчивости.
При этом заводскими инструкциями по эксплуатации портальных кранов не предусматривается принятие дополнительных мер безопасности, ис ключающих угон кранов ветром при паспортных значениях ветровых на грузок.
До настоящих исследований отсутствовали научные работы и публи кации, посвящённые влиянию ветровых нагрузок на работу механизмов передвижения с учетом работы механизмов подъема, изменения вылета стрелы и поворота портальных кранов. В нормах и расчётах механизмов передвижения портальных кранов ветровая нагрузка рассматривается как статическая нагрузка. При этом не учитываются собственные скорости движения крановых механизмов, конструктивные и эксплуатационные особенности кранов, технология перегрузочных работ, парусность грузов, а также состояние подкрановых путей.
В связи с изложенным весьма актуальным является исследование работы механизмов передвижения портальных кранов при воздействии динамической ветровой нагрузки с учётом работы механизмов подъёма, изменения вылета стрелы и поворота крана и обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния механизмов передвижения портальных кранов при максимальном использовании заложенных заво дом-изготовителем резервов и разработка мероприятий, исключающих угон кранов ветром.
Работа выполнялась в соответствии с Отраслевой программой науч но-исследовательских работ, утверждённой Первым заместителем пред седателя Госкомрыболовства России от 14 декабря 2001 года.
Целью диссертационной работы является исследование работы ме ханизмов передвижения портовых портальных кранов с учётом работы механизмов подъёма, изменения вылета стрелы и поворота крана и обос нование допустимых ветровых нагрузок для их рабочего состояния.
В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие основ ные задачи:
1. Анализ аварийных ситуаций портальных кранов в морских портах при ветровых нагрузках.
2. Разработка методики расчёта механизмов передвижения порталь ных кранов на ветровую нагрузку.
3. Разработка математической модели работы механизма передвиже ния потальных кранов с учётом движения механизмов подъёма, вылета стрелы и поворота кранов при динамическом воздействии ветра.
4. Численное моделирование основных показателей работы механиз мов передвижения портальных кранов при динамическом воздействии ветра.
5. Аналитическое определение параметров работы механизмов пере движения портальных кранов при ветровой нагрузке.
6. Обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состоя ния механизмов передвижения портальных кранов и разработка рекомен даций по обеспечению их безопасности.
Объектами исследования являются портовые портальные краны, а предметом исследования – обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния механизмов передвижения портальных кранов.
Базовыми методологическими научными работами в области мате матического моделирования и исследования режимов работы стреловых поворотных кранов являются труды Гаранина Н. П., Дукельского А. И., Ерофеева Н. И., Казака С. А., Комарова М. С., Сиротского В. Ф., Степа нова А. Л., Брауде В. И. и других, а судовых канатных дорог для передачи грузов в море – Махорина Н. И., Бачище А. В., Ходякова И. В. и других учёных. Воздействию ветровых нагрузок на инженерные сооружения и башенные краны посвящены работы Барштейна М. Ф., Давенпорта А. Г., Когана И. Я., Невзорова Л. А, Зарецкого А. А. и других учёных, а в области обоснования прогрессивных транспортно-технологических систем посвящены научные труды Гагарского Э. А.
Методы исследования. В исследованиях использовались положения теоретической механики, динамики машин и крановых установок, теории электропривода, методы математического моделирования воздействия ветровой нагрузки на портальные краны;
численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений, описывающих работу механизмов передвижения портальных кранов при воздействии ветра.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссер тации, обеспечивается использованием перечисленных выше методов ис следования, совпадением результатов численного и аналитического модели рования режимов работы механизмов передвижения портальных кранов при динамическом воздействии ветра, а также хорошей сходимостью по лученных результатов с исследованиями отечественных авторов.
Научная значимость результатов работы. В диссертационной ра боте получены следующие основные результаты, определяющие её науч ную значимость:
1. Усовершенствована методика расчёта механизмов передвижения портальных кранов на ветровую нагрузку, в которую впервые включены:
определение аналитических зависимостей ветровой нагрузки на механизм передвижения с учётом работы механизмов подъёма, изменения вылета стрелы и поворота портального крана;
математическое моделирование работы механизмов передвижения портальных кранов с учётом динами ческой составляющей ветровой нагрузки и собственных скоростей дви жения крановых механизмов в функции обобщённых координат передви жения крана, вылета стрелы и угла поворота крана;
численные методы расчёта основных показателей работы механизмов передвижения в функ ции времени.
2. Разработана математическая модель, позволяющая комплексно оценивать влияние всех механизмов крана на динамику работы меха низма передвижения портальных кранов при динамическом воздействии ветра.
3. Численными методами исследованы нагрузочные, кинематические и геометрические показатели работы механизмов передвижения порталь ного крана "Ганц" с учётом работы механизмов подъёма, изменения вы лета стрелы и поворота крана при динамическом воздействии ветра.
4. Впервые аналитически определены основные параметры работы механизма передвижения наиболее распространённых в морских портах портальных кранов "Ганц" при воздействии ветра.
5. Впервые выполнено обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния механизмов передвижения для наиболее распро странённых в морских портах портальных кранов "Ганц", позволяющие максимально использовать заложенные заводом-изготовителем резервы.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработана методика обоснования допустимых скоростей ветра для рабочего состоя ния механизмов передвижения портальных кранов, позволяющая макси мально использовать заложенные заводом-изготовителем кранов резервы;
усовершенствована методика расчёта механизмов передвижения порталь ных кранов на ветровую нагрузку с учётом работы механизмов подъёма, изменения вылета стрелы, поворота крана и собственных скоростей их перемещения;
предложенные численные и аналитические методы позво ляют определять влияние ветровой нагрузки на нагрузочные, кинемати ческие и геометрические показателей работы механизмов передвижения портальных кранов;
предложены технические решения и организацион ные мероприятия по предотвращению угона портальных кранов ветром.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедре ны в нормативных правовых актах, регламентирующих работу порталь ных кранов при скоростях ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах, которые оформлены актом внедрения, утверждённым директором ОАО "ГИПРОРЫБФЛОТ" 25 ноября 2009 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты научных ис следований докладывались и обсуждались на научно-технических конфе ренциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО "Мур манский государственный технический университет" в 1990–2009 гг.;
научно-технических конференциях по строительной механике корабля, посвящённых памяти ак. Шиманского Ю. А. и профессора Папкови ча П. Ф., ФГУП "ЦНИИ им. академика Крылова А. Н.", Санкт-Петербург 2008–2009 гг.;
научно-технической конференции "Проблемы продления навигации", г. Нижний Новгород, 1991 г.;
Первом съезде специалистов по безопасности деятельности человека, г. Санкт-Петербург, 1992 г.;
в Кали нинградских морских портах, Мурманских морских портах и других мор ских и рыбных портах;
ОАО "ГИПРОРЫБФЛОТ", Федеральном агентст ве по рыболовству и ЦК профсоюза работников рыбного хозяйства.
Публикации. Основные научные результаты диссертации опублико ваны в 21 печатной работе, три из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, и 3-х отчётах о научно-исследова тельской работе, зарегистрированных в ВНТИЦ.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Методика расчёта механизмов передвижения портальных кранов на ветровую нагрузку.
2. Математическая модель режима работы механизмов передвижения портальных кранов с учётом движения механизмов подъёма, изменения вылета стрелы и поворота портальных кранов при динамическом воздей ствии ветра.
3. Результаты численного и аналитического моделирования основ ных показателей работы механизмов передвижения портальных кранов при динамическом воздействии ветровой нагрузки.
4. Обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состоя ния механизмов передвижения портальных кранов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации 166 с., основной текст – 122 с., рис. – 29, табл. – 4, перечень использованной отечественной и иностранной научно-технической литературы из 118 наименований на 11 с., включая работы автора, приложения на 33 с., включая 8 рис.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной рабо ты, сформулированы цель и основные задачи исследований, изложена на учная новизна и практическая значимость работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
В первой главе дан анализ аварийных ситуаций портальных кранов в морских портах при воздействии штормового ветра, а также норматив ных актов по эксплуатации и расчёту портальных кранов на ветровую на грузку, выполнен анализ научных работ и сформулированы задачи иссле дований.
Свыше 15 % аварий кранов в морских портах происходит по причине действия штормового ветра. При воздействии штормового ветра возмож ны следующие аварийные ситуации: угон крана ветром и его сход с под крановых путей;
потеря устойчивости крана;
нарушение прочности металлоконструкции и механизмов;
недостаточная мощность электро приводов механизмов;
перегрев электродвигателей;
опасное раскачивание груза.
Факторы, вызывающие аварийные ситуации, можно ориентировочно классифицировать следующим образом: скорость и сила ветра;
направле ние ветра;
порывистость ветра;
вылет стрелы и угол поворота крана по отношению к направлению действия ветровой нагрузки;
вес и навет ренная площадь груза;
величины скоростей и ускорений механизмов;
раз дельная и совместная работа всех механизмов крана, состояние подкра новых путей.
Как свидетельствует практика, наиболее вероятной аварийной ситуа цией, приносящей максимальные убытки, является угон портальных кра нов ветром. В связи с этим данные исследования направлены на опреде ление допустимой ветровой нагрузки для рабочего состояния механизмов передвижения портальных кранов и разработке рекомендаций по предот вращению угона портальных кранов ветром.
В существующих нормах и стандартах приведены рекомендации по расчёту прочности механизмов, мощности двигателей и тормозов ме ханизмов, а также устойчивости кранов для определённых их статических положений. Такой подход к расчёту кранов на ветровую нагрузку в рабо чем состоянии не позволяет исследовать влияние ветровой нагрузки, включая её динамическое воздействие на кран с грузом, как на матери альную систему с шестью степенями свободы с подвижной точкой подве са и поперечными колебаниями груза в функции времени.
В существующих научных работах и исследованиях не изучались ре альные параметры ветровой нагрузки применительно к их воздействию на механизмы передвижения портальных кранов. Отсутствуют математи ческие модели режима работы портальных кранов, как материальной сис темы с шестью степенями свободы с учётом динамических характеристик крана, электропривода и динамического воздействия ветра. Не исследо вались вопросы влияния ветровой нагрузки, включая динамическую составляющую на основные показатели работы механизмов передвиже ния портальных кранов с учётом работы механизмов подъёма, изменения вылета стрелы и поворота крана в функции времени. При этом не учиты вались собственные скорости движения крановых механизмов и вектор ная природа ветровой нагрузки.
Во второй главе рассматриваются основные параметры ветрового воздействия на кран с грузом с учётом собственных скоростей движения крановых механизмов: передвижения, подъема, изменения вылета стрелы и поворота крана. Составлена расчётная схема ветровых нагрузок на пор тальный кран с грузом. Расчётная схема крана с грузом, как материальная система с шестью степенями свободы, представлена в цилиндрической системе координат, которые непосредственно характеризуют параметры рабочего процесса крана. Три координаты определяют текущее положение точки подвеса груза, а три других – положение центра тяжести груза при голономной, нестационарной, идеальной связи.
Ветровая нагрузка представлена в виде суммы двух её составляющих:
статической – соответствующей средней скорости ветра, осреднённой за 2-х минутный интервал времени, и динамической – соответствующей пульсационной составляющей, представляемой тригонометрическими функциями – синусоидами со случайными амплитудами (коэффициентами порывистости [1,05;
1,45]) и периодами их пульсаций [5;
40] с.
Получены аналитические зависимости ветровой нагрузки на кран с грузом с учётом динамической составляющей, изменения давления ветра по высоте крана и собственных скоростей движения механизмов в функ ции обобщённых координат – передвижения крана, угла поворота и вылета стрелы крана. Составляющие ветровой нагрузки, вызванные собственными скоростями движения механизмов крана, увеличивает нагрузку от сил ветра на механизмы передвижения и вылета стрелы крана соответственно на 10–20 %, а на механизм поворота крана на 30–40 %.
Третья глава посвящена разработке математической модели и чис ленному моделированию работы механизмов передвижения портальных кранов при динамическом воздействии ветра с учётом работы механизмов подъёма груза, изменения вылета стрелы и поворота крана.
Математическая модель режима работы крановых механизмов при ди намическом воздействии ветра получена на основе уравнений Лагранжа второго рода. В разработанную профессором Ерофеевым Н. И. математи ческую модель режима работы крановых установок введены функции вет ровой нагрузки. Полученная система дифференциальных уравнений опи сывает работу четырёх независимых механизмов портальных кранов: трёх поступательных движений механизмов – передвижения и подъёма груза соответственно по координатам u, z, радиальное изменение вылеты стре лы по координате и вращательное (относительно вертикальной оси) дви жение крана по координате, а также колебания гибкого подвеса груза по координатам,, u. Модель представлена в виде нелинейной, неод нородной системы семи дифференциальных уравнений второго порядка с переменными коэффициентами, правая часть которых содержат функции ветровой нагрузки.
( ) 1. && + m к 2 cos m к (2 + )sin + u && & && && mк S ((u u ) ( ) sin ( )cos ) = + ma l (Pu Р u тр Р uу AV1 + (К пi 1)sin i t Fc C 2x + C 2y n mк = ma i =1 n V1 + (К пi 1)sin i t + cos + 2u sgn V & & i =1 2 n n AC п Fп 2u V1 + (К пi 1)sin i t + V 1 + (К пi 1)sin i t sgn V;
& i =1 i =1 & & S J 1J ( ( ) ( u u ) sin ) = && sin + 2. + u && && J 2J Jl 1 n = M М тр М у ACм FV 1 + ( К п i 1) sin i t J i = n V 1 + ( К пi 1) sin i t + 0,7 sin + u sgn V ;
& & i = & 1 J 2 S (( ) (u u ) cos ) = 3a. && + && cos u & ma l 2 ma 1 n P Р тр Р с AC x KF V1 + (К пi 1)sin i t = ma i=1 n V1 + (К пi 1)sin i t + cos + 2u )sgn V ;
& & i=1 1 J (h h 0 ) 2 (h h 0 )2 cos & r 3б. + + && &u; && & (h h 0 )2 L2 L 2 ma S (h h 0 ) 1 (h h 0 ) 2 (( ) (u u ) cos ) = P Р тр Р с L2l L ma ma n ACx KF V1 + (К пi 1) sin i t i=1 n V1 + (К пi 1) sin i t + cos + 2u ) sgn V Ph Pтрh Pch & & i=1 (К пi 1)sin i t V 1 + (К пi 1) sin i t + cos + 2u n n ACx KF V 1 + & & i=1 i=1 r Cy r0 ;
tg arcsin arctg 1 sgn V h h L C х ( ) S 4. && + && cos (2 + ) sin ((u u ) & u && && ml ( ) sin ( ) cos ) = 2 V 1 + (К 1) sin t cos2 + n пi = ACг Fг i m i = n n 2V1 + (К пi 1) sin i t cos + 2u V1 + (К пi 1) sin i t cos2 sgn V ;
+ & & m i=1 i=1 & 1 S (( - ) + (u u )sin ) = 5. + 2 && sin u && & m l 2 V 1 + (К 1)sin t sin 2 + n пi = ACг Fг i m i = n n 2V1 + (Кпi 1) sin i t sin + 2uV1 + (Кпi 1) sin i t sin2 sgn V;
+ & & m i=1 i=1 S (( ) + (u u )cos ) = 6. + && cos + &2 u && ml 2 n = ACг Fг V 1 + (К пi 1)sin i t cos2 + i= m n n 2V1 + (К пi 1)sin i t cos + 2u V1 + (К пi 1)sin i t cos2 sgn V;
+ & & m i=1 i=1 m Pz n п nm (Pl + nm лg ).
7. z + g= S= ;
m + mлnп m + mлnп m + n 2m 2 Уравнение 1 системы описывает работу механизма передвижения портального крана с учётом влияния работы механизма подъёма груза, изменения вылета стрелы и поворота крана, уравнение 2 – работу меха низма поворота при переменных величинах – длине гибкой подвески груза l и моменте инерции поворотной части крана J, уравнение 3а – работу ме ханизма изменения вылета стрелы портальных кранов с шарнирно сочлененной укосиной, а 3б – портальных кранов с прямой стрелой и уравнительным полиспастом. Уравнения 4, 5, 6 описывают вынужденные колебания груза под действием ветровой нагрузки, а уравнение 7 – работу механизма подъема. В зависимости от постановки и условия задачи из системы исключается уравнение 4 (для u), либо уравнении 6 (для ), как взаимоисключающие (при совместном решении они превращаются в тождество).
В уравнениях (1–7) системы обозначены:
mк = mа /(mа+mп), где mа – масса поворотной части крана, приведённая к точке подвеса груза "а";
mп – масса неповоротной части (портала), сосредоточенная в её центре тяжести с координатой u;
m – масса груза;
mл – масса вращающихся частей подъёмного механизма, приведённая к окружности барабана грузовой лебёдки;
S – натяжение грузового каната;
L – длина стрелы;
h – высота точки подвеса груза над поверхностью земли;
h0 – высота оси качания стрелы над поверхностью земли;
r0 – расстояние от оси вращения крана до оси качания стрелы;
nn – кратность грузового полиспаста;
g – ускорение свободного падения;
Ри, Рuтр и Рuу – силы приведенные к оси приводного колеса механизма передвижения крана: движущая, статического сопротивления передвиже нию портального крана соответственно от трения в приводных и ходовых колесах и уклона подкрановых путей;
M, Mтр, Му – моменты, приведенные к оси вращения крана, соответ ственно: движущий, силы трения и крена крана;
Р, Ртр, Рс – силы, приведенные к точке подвеса груза соответственно:
движущая, трения и от неуравновешенности собственного веса стрелового устройства и веса груза;
Рh, Ртрh, Рсh – силы, приведенные к точке подвеса груза соответствен но: движущая, трения и от неуравновешенности собственного веса стрело вого устройства и веса груза по координате h;
Рz – движущая сила, приведенная к окружности грузового барабана;
пРl – усилие на подвеску груза;
А=0,0625 – переводной коэффициент скорости ветра V в динамиче ское давление ветра;
Сх, С y, С x, С y, Сп, См, Сг – коэффициенты аэродинамического со 1 противления конструкции крана и груза по соответствующим координа там, определяемые экспериментальными продувками модели крана и его отдельных частей в аэродинамической трубе;
Fс, F, F, Fп, Fг – характерные наветренные площади соответственно стрелового устройства, портала и груза по соответствующим координатам;
К – коэффициент приведения ветровой нагрузки, действующей на стрелу, к точке подвеса груза;
Кпi и i – коэффициенты пульсаций ветра и соответствующие им кру говые частоты.
Нагрузки от сил трения в механизме передвижения, изменения вылета стрелы, поворота и от наклона (крена) крана принимаются согласно заво дским данным. Силы сопротивления в механизме вылета стрелы от не уравновешенности собственного веса стрелового устройства и веса груза также принимаются на основании заводских данных и аппроксимируются аналитическими зависимостями в функции вылета. Тормозные усилия принимаются постоянными по величине без учёта электрического тормо жения. Силовые факторы управления в уравнениях системы уравнений представлены в виде аппроксимированных линейных функций скоростей механизмов.
Функция sgnV в дифференциальных уравнениях 1,2 и 4,5 системы равна –1 при вращении (движении) портального крана против ветра и + при вращении (движении) портального крана по ветру, а при V=0 функция sgnV = 0. Функция sgnV в дифференциальных уравнениях 3 и 5 равна –1, если проекция вектора скорости на плоскость качания стрелы направлена к оси вращения крана, и +1 – от оси вращения крана.
В результате численного моделирования работы крана "Ганц" при вет ре были исследованы в функции времени следующие основные показатели его работы: максимальные нагрузки в механизмах;
ускорения и скорости механизмов и груза;
параметры поперечных колебаний и углы раскачива ния груза в пространстве;
управляемость (время переходных процессов).
Исследования проводились при следующих параметрах ветрового потока и груза: средние скорости ветра изменялись от 15 до 20 м/с;
коэффициенты порывистости [1,05;
1,45], а соответствующие им периоды пульсаций [5;
40] с;
вес груза изменялся от 2,5 до 5 т;
наветренная площадь грейфера с грузом принималась равной 2,5 м2, при этом коэффициент парусности груза КF соответственно изменялся в пределах [0,5;
1,0].
Максимальные эксплуатационные нагрузки в механизмах кранов при работе против ветра возникают в период переходных процессов и опреде ляются в основном характером управления краном и настройкой пусковой аппаратуры двигателей (регулировкой тормозов). Они возрастают с увеличением средней скорости ветра, коэффициента пульсаций и парус ности грузов, однако, при исследуемых параметрах ветрового воздействия они остаются в пределах допустимых. Влияние ветра на максимальные нагрузки в механизмах вылета стрелы крана заметно проявляется при средних скоростях ветра свыше 15 м/с, а его пульсаций – в механизмах вылета и поворота кранов – свыше 18 м/с. Влияние пульсаций скоростей ветра на механизм передвижения несущественно. По условиям ограниче ния максимальных ветровых нагрузок на все механизмы крана его пере движение может производиться без ограничений на вылет стрелы и поворот крана по отношению к направлению ветра 17–18 м/с, а с ограничениями на вылет стрелы и поворот крана – 20–22 м/с.
Исследования влияния сил ветра на рабочие скорости механизмов по казали, что ограничений на работу крана по условиям существенного уменьшения или увеличения скоростей движения механизмов с грузом или без груза не накладывается. Во время установившихся движений кра новых механизмов их скорости имеют достаточно жёсткие характеристи ки, графики которых в функции времени имеют трапециевидную форму для всех случаев их работы.
На рис. 1 приведены результаты численного моделирования кинема тических и геометрических показателей работы механизма передвижения портального крана "Ганц" в функции времени.
&&, &&, м·с- uu u, u, м·с- && u, u, м u u 1, u u u u u u u & & & 1, u & u & 0, u u && u && && t, с u && 0, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 u & u & u && u u && && u -0, && -1, u u u u u u -1, Рис. 1 Функции ускорений, скоростей и амплитуд колебаний крана и груза при реостатном пуске электродвигателя механизма передвижения и посто янной длине подвеса груза при воздействии ветра Ускорения, скорости и пути груза по соответствующим координатам имеют характер вынужденных гармонических колебаний с периодами 8–14 с, причём колебания груза смещены относительно точки его подвеса в направлении действия ветровой нагрузки.
Максимальные углы раскачивания груза существенно зависят от па русности грузов, определяемой отношением наветренной площади к весу, и мало зависят от веса груза (различие составляет до 10 %).
Влияние ветра на максимальные углы раскачивания груза в простран стве с коэффициентом парусности менее КF 0,5 несущественно, для гру зов с 0,5 КF 1,0 общее влияние ветра составляет в среднем 25 %.
При исследуемых характерных циклах работы крана, параметрах вет рового потока и груза время переходных процессов механизмов изменяет ся в допустимых пределах. Установлено, что время переходных процессов зависит от направления и величины средней скорости ветра, динамических характеристик крана и практически мало зависит от порывистости ветра и парусности грузов.
По условиям ограничения времени переходных процессов механизмов крана допустимая скорость ветра для рабочего состояния механизма пере движения с ограничениями на вылет стрелы и поворот крана составляет 17,5 м/с, а без ограничения 13 м/с. При этом максимальное время разгона крана против ветра составляет 4 с (паспортное значение времени разгона механизма передвижения крана).
Определяющим показателем работы механизма передвижения крана при совместной работе механизмов вылета стрелы и поворота крана явля ется время пуска (разгона) механизма. Приведены эксплуатационные зоны для рабочего состояния механизма передвижения крана, ограниченные вы летом стрелы и углом поворота. Допустимая скорость ветра для рабочего состояния механизма передвижения крана с ограничениями, наклады ваемыми на вылет стрелы и поворот крана составляет 15–16 м/с, а без ограничения – 13 м/с. Уменьшение расчётной допустимой скорости ветра для рабочего состояния механизма передвижения объясняется учё том собственных скоростей перемещения крановых механизмов.
В главе 4 приведено аналитическое определение показателей работы механизма передвижения портальных кранов при ветровой нагрузке.
На основании обобщённой математической модели режима работы портального крана записаны в упрощённом виде дифференциальные урав нения, описывающие работу механизма передвижения портального крана по координате u и операционным методом получены решения дифферен циальных уравнений механизма передвижения крана, позволяющие опре делять в функции времени кинематические и геометрические показатели работы механизма передвижения. На основании аналитического решения дифференциальных уравнений построены графики функций скоростей, ускорений и амплитуд колебаний крана и груза (грейфера) в функции вре мени при постоянных движущем усилии и длине подвеса груза без влия ния ветра и при воздействии ветра.
Определены допустимые скорости ветра для рабочего состояния ме ханизма передвижения по условиям торможения при совместной работе механизмов изменения вылета стрелы, поворота и передвижения крана в зависимости от вылета стрелы и угла поворота крана к направлению ветра. При сухих подкрановых рельсах допустимая скорость ветра для ра бочего состояния механизма передвижения составляет около 11 м/с (на рис. 2 цифрами указаны допустимые скорости ветра), а при влажных рельсах около 7 м/с, в то время как паспортное значение скорости ветра для рабочего состояния крана "Ганц" составляет 18 м/с.
v, м 30 25 20 15 90° 13,4 13,7 14,0 14,3 14, 13, 13, 12, 13, 14, 12, 14, 13, 11, 11,3 14, 12,7 13, 115° 13, 12,3 14, 12, 13, 10, 14, 12, 135° 13, 11, 12, 12, 160° u 170° 180° Рис. 2 Допустимые скорости ветра для рабочего состояния механизма пере движения по условиям торможения при совместной работе механизмов изменения вылета стрелы, поворота и передвижения крана в зависимости от вылета стрелы и угла поворота к направлению ветра при сухих подкра новых рельсах Определена допустимая скорость ветра для рабочего состояния меха низма передвижения без совмещения работы с другими механизмами для худшего случая (перемещения крана по влажным рельсам) при воз можных сочетаниях вылета стрелы и угла поворота крана к направлению ветра, которая составляет около 14 м/с.
Сравнительный анализ полученных аналитическим путем результа тов расчётов основных показателей работы крана с грузом без ветра и при воздействии ветра с численным моделированием этих же показате лей позволяет сделать вывод, что характер изменения этих показателей в функции времени, а также их величины практически идентичны, т. е.
наблюдается практически полное их совпадение, что подтверждает обос нованность и достоверность разработанной математической модели ре жима работы кранов, принятых допущений и используемых методов чис ленного моделирования работы крана при динамическом воздействии ветровых нагрузок.
Основными критериями, определяющими допустимую скорость вет ра для рабочего состояния механизма передвижения крана, является влияние совмещённой работы механизмов вылета стрелы и поворота кра на (это влияние уменьшает допустимую скорость ветра для рабочего со стояния механизма передвижения в два раза), а также состояние подкра новых путей: влажные рельсы, наличие на путях смазочных материалов, льда и снега. Влияние последних факторов приводит к тому, что угон крана ветром возможен уже при скорости 10–12 м/с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Усовершенствована методика расчёта механизмов передвижения портальных кранов на ветровую нагрузку, включающая: определение аналитических зависимостей ветровой нагрузки на механизм передвиже ния с учётом работы механизмов подъёма, изменения вылета стрелы и поворота портального крана;
математическое моделирование работы механизмов передвижения портальных кранов с учётом динамической со ставляющей ветровой нагрузки и собственных скоростей движения кра новых механизмов в функции обобщённых координат передвижения кра на, вылета стрелы и угла поворота крана;
численные методы расчёта основных показателей работы механизмов передвижения в функции вре мени.
2. Для комплексного исследования влияния ветровой нагрузки на кран с грузом разработана математическая модель работы механизма передвижения портальных кранов с учётом движения механизмов подъё ма, вылета стрелы и поворота портальных кранов при динамическом воз действии ветра.
3. Численными методами исследованы основные показатели работы механизмов передвижения наиболее распространённых в морских портах портальных кранов типа Ганц.
4. Аналитически определены основные показатели работы механизма передвижения наиболее распространённых в морских портах портальных кранов "Ганц" при воздействии ветра.
5. На основании численного и аналитического моделирования опре делены допустимые ветровые нагрузки для рабочего состояния механиз мов передвижения портальных кранов "Ганц" и разработаны рекоменда ции по обеспечению их безопасности в этих условиях.
6. Результаты диссертационной работы внедрены в нормативных ак тах, регламентирующих работу портальных кранов при скоростях ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах, утвержденных Госкомрыболов ством России, которые оформлены актом внедрения, утверждённым ди ректором ОАО "ГИПРОРЫБФЛОТ" 25 ноября 2009 года.
7. По материалам диссертации имеется 21 публикация, три из кото рых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, реко мендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, и 3-х отчетах о научно-исследовательской работе, зарегистрированных в ВНТИЦ.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Подобед, Н. Е. Аналитическое определение параметров движения стреловых кранов при ветре при постоянных движущих усилиях / Н. Е. Подобед // Тезисы докл. науч.-техн. конф. по строительной механи ке корабля, посвященная памяти проф. П. Ф. Папковича / ФГУП "ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова". – СПб., 2009. – С. 92–93.
2. Подобед, В. А. Вероятностная оценка устойчивости направления и порывистости ветра / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // "Наука и образо вание – 2004" : материалы Междунар. науч.-техн. конф. : тез. докл. / МГТУ. – Мурманск, 2004. – Ч. 5. – С. 241 – 245.
3. Подобед, В. А. Вопросы безопасной эксплуатации портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // Тезисы докл. науч.-техн. конф. профес.-преп. состава, аспирантов, науч.
и ИТР МВИМУ. – Мурманск, 1990. – С. 94–96.
4. Подобед, В. А. Вопросы эксплуатации грузоподъемных кранов, находящихся в различных ветровых условиях / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // Тезисы докл. IV регион. науч.-техн. конф. "Проблемы создания и эксплуатации ПТМ в условиях Дальнего Востока и Восточ ной Сибири" / ДВ филиал ВНИИПТМАШа. – Артем, 1983. – С. 128.
5. Подобед, В. А. Выбор и использование анемометров портовых кранов / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // "Наука и образование – 2004" :
материалы Междунар. науч.-техн. конф. : тез. докл. / МГТУ. – Мурманск, 2004. – Ч. 5. – С. 236 – 240.
6. Подобед, Н. Е. Математическое моделирование ветровых нагрузок на механизмы передвижения портальных кранов с прямой стрелой / Н. Е. Подобед, В. А. Подобед, В. И. Меньшиков // Вестник МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. – 2009. – Т. 12, № 1. – С. 27 – 33.
7. Подобед, В. А. Математическое моделирование ветровых и сейс мических нагрузок на портальные краны в рабочем состоянии / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // Тезисы докл. юбилейн. науч. конф.
МВИМУ. – Мурманск, 1990. – С. 77 – 81.
8. Подобед, Н. Е. Математическое моделирование режима работы механизмов передвижения доковых кранов при штормовом ветре / Н. Е. Подобед, В. А. Подобед // Тезисы докл. науч.-техн. конф. по строи тельной механике корабля, посвященная памяти акад. Ю. А. Шиманского / ФГУП "ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова". – СПб., 2008. – С. 97–98.
9. Подобед, Н. Е. Математическое моделирование работы механиз мов передвижения грузоподъемных кранов при ветре / Н. Е. Подобед // Морской сборник. – 2009. – № 11. – С. 71 – 72.
10. Подобед, Н. Е. Математическая модель режима работы порталь ных кранов при динамическом воздействии ветра с учетом их передвиже ния / Н. Е. Подобед, В. А. Подобед // МНТК "Наука и образование – 2008". [Электронный ресурс] / МГТУ. Электрон. текст дан. (20 Мб).
Мурманск: МГТУ, 2008. – 1 опт. компакт-диск (СD-ROM). – Материалы международной научно-технической конференции "Наука и образова ние – 2008" – электрон. текст подг. ФГОУВПО "МГТУ". С. 754 – 756.
11. Подобед, Н. Е. Моделирование работы портовых стреловых кра нов при ветровых нагрузках / Н. Е. Подобед // Бюллетень транспортной информации. – 2009. – № 9 (171).– С. 37 – 38.
12. Подобед, В. А. О разработке правил по технике безопасности в рыбных портах / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // Тезисы докл. науч. техн. конф. профес.-преп. состава, аспирантов, научных и ИТР МВИМУ. – Мурманск, 1991. – С. 89 – 90.
13. Подобед, В. А. Отраслевые правила по охране труда для судоремонтных предприятий / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // "Наука и образование – 2005" : материалы Междунар. науч.-техн. конф. : тез.
докл. / МГТУ. – Мурманск, 2005. – Ч. 7. – С. 119 – 121.
14. Подобед, В. А. Охрана труда : учеб. пособие для мор. спец.
ВУЗов / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед. – 4-е изд., перераб. и доп. – Мурманск : Изд-во МГТУ, 2005. – 264 с.
15. Подобед, В. А. Охрана труда для руководителей, специалистов и отдельных категорий застрахованных : учеб. пособие / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед. – 3-е изд. – Мурманск : Север, 2002. – 288 с.
16. Подобед, В. А. Предупреждение риска при эксплуатации кранов при ветровых нагрузках в морских портах / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. – 2006. – Т. 9, № 3. – С. 531 - 533.
17. Подобед, В. А. Проблемы безопасной эксплуатации грузоподъ емных кранов при воздействии ветровых и сейсмических нагрузок / В. А. Подобед, Н. Е. Подобед // Тезисы докл. I Всесоюз. съезда спец.
по безопасной жизнедеятельности человека. – СПб., 1992. – С. 85 – 86.
18. Подобед, Н. Е. Численное моделирование режима работы стре ловых поворотных кранов при штормовом ветре / Н. Е. Подобед, В. А. Подобед // Тезисы докл. науч.-техн. конф. по строительной механи ке корабля, посвященная памяти проф. П. Ф. Папковича / ФГУП "ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова". – СПб., 2009. – С. 90 – 92.
19. Правила по охране труда в морских рыбных портах :
ПОТ РО 18300 21500-01-2001 / рук. В. А. Подобед, исп. Н. Е. Подобед – СПб. : [б. и.], 2001. – 328 с.
20. Разработка Правил по охране труда в морских рыбных портах:
РТО / Мурман. гос. техн. ун-т ;
рук. В. А. Подобед, исп. Н. Е. Подобед. – Мурманск, 2002. – 11 с. – Инв. № 01200100835.
21. Разработка Типовой инструкции по эксплуатации портовых пор тальных кранов при ветровых нагрузках с участием портовых рабочих в перегрузочном процессе : отчет о НИР / Мурман. высш. инж. мор.
уч-ще ;
рук. В. А. Подобед, исп. Н. Е. Подобед – Мурманск, 1989. – 64 с. – Инв. № 02890067160.
Издательство МГТУ. 183010 Мурманск, Спортивная, 13.
Сдано в набор 13.04.2010. Подписано в печать 16.04.2010. Формат 60841/16.
Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,00. Заказ 96. Тираж 100 экз.