Развитие теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.05, доктор технических наук Зарецкий, Анатолий Абрамович

Оглавление диссертации доктор технических наук Зарецкий, Анатолий Абрамович

Глава I. Состояние проблемы расчета грузоподъемных кранов. Направления и задачи исследования

1.1. Виды расчета кранов.

1.2. Анализ современных методов расчета кранов на однократное действие максимальных усилий (прочность и устойчивость формы).

1.3. Особенности расчета устойчивости положения крана и его элементов

1.4. Анализ методов расчета кранов на многократное действие нагрузок различной величины (усталость)

1.5. Обзор методов определения нагрузок кранов

1.6. Направления и задачи исследования

Глава 2. Основы теории расчета кранов по предельным состояниям на прочность,устойчивость формы и усталость

2.1. Краткая качественная характеристика случайных процессов нагружеяия элементов крана в условиях эксплуатации.

2.2. Разработка теории расчета кранов по предельным состояниям на прочность и устойчивость форш

2.2.1. Вывод основных расчетных соотношений.

2.2.2. Общий анализ основных расчетных соотношений

2.3. Два актуальных следствия разработанной теории расчета кранов по предельным состояниям первой группы

2.3.1. Теоретическая оценка возможного снижения металлоемкости грузоподъемных кранов

2.3.2. Выбор испытательной нагрузки кранов для их технического освидетельствования . 112 *

2.4. Развитие теории расчета кранов по предельным состояниям на усталость

2.4.1. Схематизация процессов нагружения металлических конструкций.

2.4.2. Анализ влияния случайных нагрузок на усталость металлических конструкций кранов

Глава 3. Исследование статики и динамики башенных кранов при детерминированных внешних воздействиях

3.1. Расчетные схемы башенных кранов как упруго-динамических систем. Основные вопросы разработки расчетных схем и расчета их параметров.

3.1.1. Общая характеристика расчетных схем башенных крайов как упруго-динамических систем

3.1.2. Основные положения расчета упруго-динамических параметров башенных кранов

3.2. Общий анализ колебаний башенных кранов.

3.2.1. Колебания кранов в плоскости подвеса

3.2.2. Колебания кранов из плоскости подвеса при повороте.

3.2.3. Колебания кранов из плоскости подвеса при передвижении

3.3. Определение параметров высокочастотных составляющих колебаний башенных кранов.

3.4. Снижение интенсивности горизонтальных колебаний башенных кранов при работе механизма подъема

3.5. Определение параметров низкочастотных составляющих колебаний башенных кранов (горизонтальных колебаний груза).

3.6, Исследование колебаний и динамических нагрузок при одновременной работе механизмов поворота и передвижения.

Глава 4. Исследование динамики кранов при случайных внешних воздействиях

4.1. Основы спектральной теории силовых воздействий механизмов кранов при работе в повторно-кратковременном режиме.

4.1.1. Анализ приводов механизмов кранов как дискретных систем.

4.1.2. Экспериментальное исследование потоков переключений приводов механизмов башенных кранов

4.1.3. Анализ спектральной плотности силовых воздействий механизмов кранов при работе в повторно-кратковременном режиме.

4.2. Общий анализ динамика кранов как линейно-упругих систем при случайных внешних воздействиях

4.2.1. Анализ вторых моментов динамических нагрузок и колебаний кранов как стационарных процессов

4.2.2. Анализ вторых моментов динамических нагрузок и колебаний кранов как нестационарных процессов

4.2.3. Анализ особенностей вторых моментов динамических нагрузок и колебаний кранов при воздействии на них потока импульсов прямоугольной формы

4.2.4. Анализ соотношений между реакцией линейной упругой системы на воздействие одиночного импульса и пуасооновского потока импульсов

4,2.5. Результаты статистического моделирования воздействия импульсных случайных процессов на краны как линейно-упругие системы.

4.3. Исследование дисперсий динамических нагрузок башенных кранов при работе механизмов в повторно-кратковременном режиме.

4.3.1. Анализ дисперсий отдельных форм стационарных колебаний кранов при работе механизмов в повторно-кратковременном режиме.

4.3.2. Определение стационарных дисперсий динамических нагрузок и усилий от них в элементах башенных кранов при работе механизмов в повторно-кратковременном режиме.

4.3.3. Анализ дисперсий динамических нагрузок и усилий от них.

Глава 5. Основы общей теории устойчивости свободно стоящих кранов против опрокидывания

5.1. Устойчивость свободно стоящих кранов против опрокидывания при детерминированных внешних воздействиях.

5.2. Устойчивость свободно стоящих кранов против опрокидывания при случайных динамических воздействиях

5.2.1. Определение верхней оценки для вероятности потери устойчивости свободно стоящего крана как детерминированной системы.

5.2.2. Анализ влияния колебаний груза на вероятность потери устойчивости крана

5.3. Основные соотношения метода расчета кранов по предельным состояниям на устойчивость против опрокидывания.

5.4. Определение реакции крана на случайные опрокидывающие динамические воздействия

5.4.1. Определение реакции крана на силовые воздействия механизмов при работе в повторно-кратковременном режиме

5.4.2. Определение реакции крана на пульсацию ветра.

Глава 6. Система расчета башенных кранов по предельным состояниям. Технико-экономическая эффективность от ее внедрения в народное хозяйство

6.1. Основные положения системы расчета башенных кранов по предельным состояниям (по ГОСТ 13994-81 и

6.2. Технико-экономическая эффективность от внедрения результатов работы в народное хозяйство

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Подъемно-транспортные машины», 05.05.05 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям»

Диссертация посвящена теоретическому обобщению и решению крупной научной проблемы в области грузоподъемных кранов, имеющей важное народнохозяйственное значение. Решение проблемы заключалось в развитии теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям и апробации ее новых положений на примере башенных кранов путем внедрения в создаваемые и модернизируемые машины.

Цель исследования: разработать и внедрить новую систему норм и методов расчета по предельным состояниям, направленную на создание эффективных башенных кранов и снижение их металлоемкости. I

Башенные краны широко применяют в строительстве и других отраслях народного хозяйства. Их парк в СССР по данным ЦСУ достигает 50000 единиц и включает большое число разновидностей и типоразмеров, предназначенных для различных условий работы. Ежегодно в народном хозяйстве производят около 3000 башенных кранов. При этом только на изготовление их металлических конструкций расходуют до 150000 тонн металла, преимущественно в виде стального проката и труб. Возрастающие объемы и темпы строительства, укрупнение возводимых сооружений и их деталей, интенсификация всего общественного производства требуют создания новых башенных кранов с более высокими параметрами [ 10,163,181, 205] . Уже сейчас изготавливают башенные краны тяжелого режима для гидротехнического строительства с грузовым моментом 1000 т.м и более, а также проектируют монтажные краны легкого режима с грузовым моментом 20000 т.м. Имеется необходимость в создании башенных лесопогрузчиков грузоподъемностью 32 т. Высота подъема современными свободно стоящими башенными кранами превышает 100 м, а скорости подъема грузов достигли: номинальных 100 м/мин, более легких 350 м/мин [ 159] .

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года в области машиностроения предусмотрено значительно увеличить масштабы создания, освоения и внедрения в производство высокоэффективной техники, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности на внешнем рынке. Наряду с этим требуется существенно сократить сроки создания и освоения новой техники, обеспечив в 1985 году по сравнению с 1980 годом снижение норм расхода в среднем: проката черных металлов на 18-20 процентов, труб стальных на 10-12 процентов. Бее сказанное относится также к башенному краностроению. Поэтому можно констатировать, что работы, направленные на ускоренное создание новых высокоэффективных башенных кранов и снижение их металлоемкости, имеют важное народнохозяйственное значение. Для достижения намеченных показателей необходимо комплексно решить ряд крупных научных, конетруктореко-технологических и экономических проблем. Среди них проблеме расчета принадлежит важное место.

Расчеты башенных и других грузоподъемных кранов имеют общую теоретическую основу. В расчетах необходимо учитывать срок службы, надежность, режим и условия окружающей среды. Краны могут представлять опасность для обслуживающего персонала и лиц, находящихся в зоне их действия. Поэтому основные положения расчета, показатели режима и условий окружающей среды для кранов у нас в стране и за рубежом регламентируют государственным законодательством и стандартизируют. Аналогичную работу проводят в международном масштабе в рамках СЭВ и ИС0.

Расчеты башенных и других грузоподъемных кранов рассматри

Бали во многих исследованиях. Однако интерес к проблеме не ослабевает, о чем свидетельствует непрерывное изменение норм расчета этих машин в СССР и за рубежом. Напротив, значение совершенствования расчетов возрастает в связи с необходимостью повышения эффективности, надежности, снижения материалоемкости, энергоемкости и общей стоимости новой техники.

В создании современных методов расчета грузоподъемных кранов ведущая роль принадлежит советским ученым: М.II.Александрову, П.Е.Богуславскому, А.А.Вайнсону, Д.П.Волкову, М.М.Гохбергу, А.И.Дукельскому, С.А.Казаку, Б.С.Ковальскому, М.С.Комарову, А.Г.Дангу, П.З.Петухову, В.Ф.Сиротскому и другим. За рубежом большой вклад в развитие методов расчета внесли: Ф.Зедльмайер, Ф.Курт, А.Луттерот, Р.Нойгебауэр, М.Шейфлер и другие.

Несмотря на большие достижения в области расчета грузоподъемных кранов, в том числе башенных, многие вопросы, выдвигаемые практикой проектирования, все же остались нерешенными. С одной стороны, современные методы теоретической (строительной) механики и теории упругости,особенно, с применением электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) позволяют принципиально точно определить напряжения (усилия) в элементах кранов и их перемещения от заданных внешних силовых воздействий. С другой стороны, выполнение условий прочности, устойчивости, долговечности и других оценивают весьма приближенно. Конструкторы и составители норм только в меру опыта назначают расчетные сочетания нагрузок и коэффициенты при сопоставлении действующих усилий и сопротивлений. Соответственно и роль научного анализа в значительной степени ограничивают обобщением опыта проектирования и эксплуатации кранов. Из-за этого нормы часто оказываются малоэффективными, особенно, при создании нетрадиционных конструкций, предназначенных для применения в необычных условиях, и использовании новых материалов. Именно тогда остро ощущают малую гибкость и универсальность эмшфических норм, отсутствие аналитических методов для их обоснования. Все это свидетельствует о том, что теория и общие методы расчета кранов нуждаются в дальнейшем развитии. Применяемые нормы и методы расчета из-за перечисленных принципиальных недостатков приводят обычно к неоправданному перерасходу металла, удорожают и затягивают совершенствование и создание новых высокоэффективных и надежных кранов. Эти недостатки можно устранить, как показывает анализ, только с позиций вероятностных теорий надежности механических систем и нагрузок.

3 диссертации изучены и развиты с указанных позиций важнейшие разделы теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям. Предложены аналитические методы, практически исключающие необходимость эмпирического назначения расчетных нагрузок и коэффициентов при сопоставлении действующих усилий и сопротивлений .

К защите представлена совокупность новых и достоверных научных положений и результатов, имеющих существенное теоретическое значение для проблемы расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям. Она содержит: разработку основ теории расчета конструкций кранов на прочность и устойчивость формы; развитие теории расчета конструкций кранов на усталость; исследование статики и динамика башенных кранов при детерминированных внешних'воздействие; исследование динамики кранов при случайных внешних воздействиях; разработку основ теории расчета свободно стоящих кранов на устойчивость против опрокидывания.

Научная новизна проведенного исследования представлена следующими результатами: I)теоретически изучены в зависимости от характерных для грузоподъемных кранов случайного нагружения и сопротивления конструкций,срока службы,режима и условий окружающей среды вероятности наступления предельных состояний, определяющих прочность,устойчивость формы и усталость конструкций кранов, а также устойчивость свободно стоящих кранов против опрокидывания; 2) установлены общие для всех грузоподъемных кранов предельные (расчетные) соотношения между нагрузками и сопротивлениями конструкций, гарантирующие наступление каждого предельного состояния при определенном режиме и условиях окружающей среды в течение срока службы с вероятностью не более заданной; 3)обнаружены на основе разработанной теории скрытые до сего времени резервы снижения металлоемкости металлических конструкций и повышения надежности и безопасности кранов в эксплуатации, намечены пути использования этих резервов; 4)разработаны основы общей теории устойчивости свободно стоящих кранов против опрокидывания, включая ее детерминистический и вероятностный аспекты; 5)разработаны основы спектральной теории силовых воздействий крановых механизмов при работе в типичном для них случайном повторно-кратковременном режиме, являющейся ключевой в статистической динамике кранов; 6)выявлены и изучены особенности динамики башенных кранов как упругих систем при их колебаниях, включая динамические нагрузки, появляющиеся при однократном разгоне (торможении) отдельных механизмов и одновременном разгоне (торможении) двух механизмов, в зависимости от упруго-динамических свойств конструкции и параметров приводов; 7)изучены основные вопросы статистической динамики грузоподъемных кранов как линейно упругих систем в стационарных и нестационарных режимах и разработаны методы определения дисперсий динамических, нагрузок, возникающих при работе механизмов в повторно-кратковременном режиме и пульсации скорости ветра, рекомендуемые для практического применения.

Достоверность полученных результатов достигнута путем: применения адекватных методов аналитического исследования, в том часле теории вероятностей и случайных процессов; использования современных методов экспериментального исследования, в частности, предусматривающих регистрацию изменяющихся во времени механических величин, и соответствующих методов обработки результатов эксперимента; выбора апробированных физических предпосылок; обоснования расчетных моделей результатами экспериментального исследования и математического моделирования на ЭВМ; сопоставления результатов аналитического исследования с данными экспериментов и математического моделирования.

Практическая ценность. Проведенные научные исследования и полученные результаты; I)обеспечили возможность разработки новой системы методов и норм расчета по предельным состояниям на заданный срок службы, режим и условия окружающей среды, направленной на создание эффективных, надежных башенных кранов и снижение их металлоемкости; 2)создали предпосылки ддя разработки новых, экономичных и гибких методов и норм расчета по цредельным состояниям грузоподъемных кранов других типов; 3)выявили эффективные направления дальнейших научных и конструкторско-технологических работ по снижению металлоемкости грузоподъемных кранов и повышению их надежности и безопасности в эксплуатации.

Реализация результатов работы. Разработана новая система методов и норм расчета башенных кранов по предельным состояниям, которая внедрена в народное хозяйство с помощью ряда государственных"' и других нормативных документов. Среди них ГОСТ 13994-75 и ГОСТ 13994-81 "Краны башенные строительные.- Нормы расчета", руководящий документ РД-22-01-6-79 "Краны башенные строительные. Стальные конструкции. Нормы расчета на усталость", руководящий технический материал РТМ 2201-70-69 "Краны башенные строительные. Нагрузки. Методы испытаний". Отдельные положения проведенной работы были использованы в более ранних нормативных документах ОН-783-63 и ГОСТ

13994-68, а также при разработке международных документов СЭВ и

ИСО по расчету кранов. По новым нормам выполнены расчеты выпускаемых в настоящее время в отрасли строительного и дорожного машиностроения башенных кранов. Созданные с учетом результатов настоящей работы башенные краны эффективны, надежны и имеют меньшую металлоемкость по сравнению с кранами, выпускавшимися ранее, повысилась их конкурентоспособность на внешнем рынке. Новые нормы используют при создании уникального башенного крана с грузовым моментом 1000 т.м. для строительства гидротехнических сооружений, предусмотренной целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.031, разработанной Госстроем, ГКНТ и Госпланом СССР. При изучении курса "Специальные грузоподъемные краны" сту-^ дентам (специальность 0510) излагают основы расчета башенных кранов по ГОСТ 13994-81.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложены в монографии и в 32-х научных статьях, опубликованных в периодической печати, сборниках докладов, научно-технических конференций и научных трудах институтов, а также 2-х авторских свидетельствах.

Апробация. Основные разделы работы доложены, обсуждены и одобрены на 1-ой и П-ой Всесоюзных научно-технических конференциях по динамике крупных машин; на Всесоюзном научно-техническом совещании по теории, расчету и эксплуатации грузоподъемных машин; на научно-технических конференциях МИСИ им. В.В.Куйбышева и ВЗПЙ; пять раз на заседаниях НТС ВНИИстройдормаша по башенным кранам, два раза на специальных заседаниях Советской части ИС0/ТК96 по грузоподъемным кранам.

Диссертация выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте строительного и дорожного машиностроения.