Нагрузки, действующие на ПТМ

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПЕРЕГРУЗОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Характеристики ПТМ

ПТМ обладают рядом характеристик, которые описывают их различные свойства или качества, т.н. показателей качества. Показатель качества - это количественная характеристика одного или нескольких свойств, входящих в качество ПТМ, рассматриваемая применительно к определённым условиям её создания и эксплуатации [4]. Показатели можно классифицировать по различным признакам. По количеству характеризуемых свойств их можно разделить на единичные, комплексные (обобщающие) и (или) интегральные. Единичные показатели характеризуют одно свойство ПТМ, составляющее ее качество применительно к определенным условиям создания и эксплуатации. Примером единичного показателя является грузоподъемность ГПМ. Комплексные показатели являются величиной, объединяющей количественные оценки нескольких свойств ПТМ с учетом их коэффициентов весомости. Интегральные показатели отражают соотношение полезного эффекта от эксплуатации и затрат на приобретение и эксплуатацию ПТМ. Показатели качества могут быть выражены в абсолютных и относительных величинах. Абсолютные показатели качества выражают абсолютные значения свойств ПТМ в натуральном или стоимостном измерении (материалоемкость, трудоемкость, производительность и т.п.). Относительные показатели качества бывают двух видов:

– удельные, определяемые в виде отношения между абсолютными показателями ПТМ (например, удельная масса);

– в виде отношения абсолютных или удельных показателей проектируемой и существующей ПТМ, принятой за базовую. Наиболее широкое применение находят показатели, сгруппированные по характерным свойствам.

В зависимости от характеризуемых свойств основные параметры грузоподъемных машин разделены на несколько групп [6, 17, 18, 19, 20, 24]. Это следующие группы.

- Показатели назначения

К ним относятся классификационные показатели: грузоподъемность (номинальная грузоподъемность - масса номинального груза, подвешенного при помощи несъемных грузозахватных приспособлений, сумма значений массы груза и съемных грузозахватных приспособлений); пролет или вылет максимальный и минимальный (вылет консоли); высота подъема (глубина опускания, диапазон подъема), представлены на схемах (Рис. 2); колея; база; режим работы.

Рис. 2 Геометрические характеристики ПТМ.

Также к ним относятся показатели производительности: производительность, скорости механизмов и время выполнения рабочих движений. Производительность ПТМ – это количество груза, перемещаемого в единицу времени.

Показатели массы и опорных нагрузок

К ним относятся конструктивная масса (масса ПТМ без балласта и противовеса в незаправленном состоянии; характеризует материалоемкость, транспортабельность), общая масса (полная масса ПТМ в заправленном состоянии с балластом и противовесом), нагрузка на колесо при работе (характеризует воздействие на опорные конструкции), удельная масса ПТМ (отношение общей массы к грузоподъемности или производительности) и т.п.

Показатели надежности

К ним относятся показатели безотказности: средняя наработка на отказ (среднее количество машиночасов или циклов работы ПТМ до наступления отказа), вероятность безотказной работы (вероятность того, что отказ не наступит за заданное время) и пр.; показатели долговечности: ресурс до капитального ремонта (установленное количество машиночасов или циклов работы ПТМ до капитального ремонта), срок службы (календарное время работы ПТМ в заданных условиях эксплуатации до капитального ремонта или списания) и пр.; показатели ремонтопригодности: коэффициент готовности [20]

, 1)

где – среднее время восстановления ПТМ после отказа и пр.

Показатели энергопотребления

К ним относятся суммарная установленная мощность (суммарная мощность электродвигателей механизмов ПТМ), расход топлива (среднее количество топлива, расходуемое в час работы в нормальном режиме), удельный расход электроэнергии (количество затраченной энергии, отнесенное к числу циклов работы) и пр.

Показатели безопасности

Показатели безопасности характеризуют особенности ПТМ, обусловливающие безопасность человека при ее эксплуатации. Безопасность человека обеспечивается при использовании, хранении, транспортировании, монтаже, обслуживании и ремонте ПТМ в нормальных условиях и при возникновении аварийной ситуации в зоне возможной опасности.

А также некоторые другие группы показателей качества.

Наиболее значимыми характеристиками для МНТ являются производительность и условия работы, а для ГПМ – грузоподъемность и режим работы.

Устройство ПТМ

ПТМ состоят из механизмов или приводов (1), несущих (3) и вспомогательных (4) металлических конструкций, систем управления (5), включающих электрооборудование и аппаратуру управления, устройств электроснабжения (6 Рис. 3), а также вспомогательного оборудования.

Рис. 3 Устройство мостового крана.

В процессе работы машина выполняет различные движения. Движения, которые служат для перемещения груза, называются рабочими. Движения, перемещающие элементы машины в положение для работы с грузом, называются установочными. Для вертикального перемещения груза служит механизм подъема, для горизонтального перемещения элементов машины и груза — механизмы поворота, передвижения и изменения вылета.

В состав привода (Рис. 4) входят следующие элементы:

Рис. 4 Структурная схема привода.

- двигатель (механизм, предназначенный для преобразования др. видов энергии в механическую, на схеме «Д»);

- передаточный механизм (механизм, предназначенный для преобразования одного вида механического движения в другое, передающий механическую энергию от двигателя исполнительному механизму, на схеме «ПМ», как правило, в ПТМ в качестве передаточных механизмов используются редукторы);

- исполнительный механизм (механизм, непосредственно воздействующий на обрабатываемый объект, применительно к ПТМ, способствующий изменению положения объекта, применительно к приводам ПТМ, исполнительным механизмом будем считать механизм, звено или несколько звеньев, которые взаимодействуют со входным звеном МВРД - механизма, выполняющего рабочее движение, и передает ему энергию, на схеме «ИМ»);

- блок управления (устройство, позволяющее менять кинематические параметры рабочего движения (скорость, направление движения и пр.) при воздействии оператора или автоматически, на схеме «БУ»);

- блок регулирования (устройство, воздействующее на управление при отклонении параметров рабочего движения от заданных, на схеме «БР»).

Кроме того, валы элементов привода соединяются с помощью специальных муфт.

К двигателю подсоединен источник энергии, а на блок управления воздействует человек-оператор или программируемое командное устройство.

Коэффициент полезного действия (КПД) механизма – это величина, характеризующая отношение полезной работы к полной совершенной работе или энергии , затраченной на совершение полезной работы, к общей затраченной энергии

. 2)

Схема для передачи механической энергии в механизме от двигателя до МВРД будет выглядеть следующим образом

Д→муфта 1→ПМ→муфта 2→ИМ→ МВРД.

Тогда, учитывая потери энергии на каждом из устройств, общий КПД механизма будет

, 3)

где – КПД соединительных муфт,

–КПД передаточного механизма,

– КПД исполнительного механизма,

– КПД механизма, выполняющего рабочее движение.

e [3201]" stroked="f" strokeweight=".5pt"> Металлические конструкции ПТМ можно подразделить на стреловые или консольные (1), опорные (2) и пролетные (3).

а) отвалообразователь б) козловой кран

Рис. 5 3D-модели ПТМ.

По способу изготовления они бывают сварные и клепаные. Последнее время наибольшее распространение получили сварные конструкции.

По виду металлоконструкции можно разделить на балочные и решетчатые (фермы). В свою очередь балки бывают составными (в) и профильными (г), а фермы плоские и пространственные (а, б Рис. 6).

Рис. 6 Виды металлоконструкций.

Электрооборудование и аппаратура управления включает в себя собственно электрооборудование, устройства и аппаратуру управления, приборы и устройства безопасности, а также предохранительные устройства.

Управление ПТМ может быть ручным, полуавтоматическим и автоматическим.

Приборы и устройства безопасности [21] в зависимости от выполняемых функций делятся на

- ограничители: рабочего движения, скорости, нагрузки;

- указатели: положения, скорости, нагрузки, др. параметров;

- сигнализаторы: снижения, превышения, выхода за границы, события;

- регистраторы: счетчики циклов, счетчики нагрузок, регистратор параметров.

Предохранительные устройства подразделяются по назначению на две группы:

снижающие риск развития аварийной ситуации (пр., храповый останов механизма подъема, противоугонные захваты),

снижающие опасность (величину опасных факторов) при аварийной ситуации (пр., буферы тележки или стрелы).

Токоподвод к механизмам ПТМ осуществляется с помощью кабелей (передвижные ПТМ) и жестких троллеев (тележки мостовых кранов) с токоприемниками. Все системы токоподвода, существующие в настоящее время, делятся на три основных типа: кабельные подвесы, кабельные барабаны и троллейные системы.

Кабельный подвес представляет собой кабель, скользящий на кольцах или каретках по стальной «струне» — прутку или канату или направляющей – стальной полосе, тавровый или другой профиль (Рис. 7 а кабельная тележка).

Кабельные барабаны могут быть оснащены пружинным либо моторным приводом. В таких системах кабель находится в постоянном натяжении за счёт усилия пружины или электромотора. В зависимости от задачи, барабан может удерживать натянутый кабель на весу или укладывать его в специальный желоб или на ролики, опускать вниз или вытягивать вверх (Рис. 7 б кабельный барабан с моторным приводом).

Троллейная система — это конструкция, состоящая из нескольких (традиционно трёх) контактных шин, изготовленных из промышленного проката, профиль которого подобран исходя из нагрузки по току. Это могут быть уголки различного сечения, а при большой нагрузке — рельсы (Рис. 7 в контактные рельсы и токосъёмник). Контактные шины крепятся на изоляторах. Чтобы предотвратить падение напряжения могут быть смонтированы дополнительные подводы питания. Токосъём осуществляется посредством чугунного контакта - «башмака», скользящего по шине сверху.

а) б) в)

Рис. 7 Виды токоподвода.

Помимо неизбежных потерь энергии при передаче при использовании троллеев происходит изнашивание катков, кабеля, троллея, токосъемника. Этого недостатка лишен способ бесконтактной передачи электроэнергии. Система бесконтактной передачи энергии работает на основе принципа индукции без механического контакта, аналогично переносу энергии между первичной и вторичной обмотками трансформатора.

Нагрузки, действующие на ПТМ

На портовые ПТМ действуют нагрузки от сил тяжести, инерционные, ветровые, от снега и обледенения, сейсмические, технологические нагрузки, особые или специальные нагрузки, при движении возникают силы трения, препятствующие ему. Все нагрузки, действующие на ПТМ случайны. Все нагрузки являются распределенными по площади или объему величинами, но для удобства расчетов рассматриваются как сосредоточенные в точках, являющихся центрами приложения. Таким образом, как и любой вектор, сила характеризуется тремя составляющими: направлением, точкой приложения и величиной.

1) Весовые нагрузки (от сил тяжести) являются вертикальными статическими нагрузками и создаются весом груза и весом собственных элементов ПТМ. Они являются рассредоточенными по объему нагрузками. Вес груза может меняться от нуля до веса номинального груза, вес элементов ПТМ остается постоянным.

Направление - вертикально вниз.

Точка приложения – центр тяжести элемента ПТМ.

Величина, вес i-го элемента

, 4)

где – масса i-го элемента, м/с – ускорение свободного падения.

2) Ветровые нагрузки являются горизонтальными динамическими (переменными во времени) нагрузками. Они являются рассредоточенными по площади.

Рис. 8 График изменения силы F.

В конструкторской практике такие нагрузки рассматриваются как квазистатические и учитываются с помощью коэффициентов динамичности, определенных расчетным или натурным путем.

, 5)

здесь – максимальная нагрузка, – статическая составляющая, – динамическая добавка (Рис. 8).

Сомножитель заключенный в скобки назовем коэффициентом динамичности . Тогда

. 6)

Назначение динамических коэффициентов производится путем аналитических расчетов или обработки статистической информации.

Ветровые нагрузки определяются как сумма статической и динамической составляющих.

Направление – параллельно поверхности основания в сторону совместного действия других нагрузок. На Рис. 9 представлена схема нагрузок, действующих на стрелу. Вес стрелы G пытается опрокинуть стрелу вперед. Таким образом, направление силы ветра, разгружающее стрелу, представляется неправильным.

Рис. 9 Нагрузки, действующие на стрелу.

Наветреной площадью элемента конструкции будем называть проекцию площади элемента на плоскость, перпендикулярную направлению ветрового потока (Рис. 10).

Рис. 10 Наветреная площадь стрелы.

Для данного случая верна зависимость для нахождения наветреной площади

, 7)

где – полная площадь стрелы, – угол наклона стрелы к горизонтали.

Точка приложения – центр наветреной площади элемента. Центр площади – это воображаемая точка на фигуре, вокруг которой равномерно распределена площадь фигуры.

Положение центра тяжести сечения (площади) определяется по известным зависимостям (Рис. 11)

, ,8)

и при переходе к предельным значениям

, , 9)

здесь - площадь сечения, и - координаты центра тяжести сечения (площади) по оси абсцисс и оси ординат, – площадь элементарной площадки, и – координаты центра элементарной площадки, – количество элементарных площадок. Для фигур, обладающих двумя осями симметрии, центр площади располагается на пересечении этих осей.

Рис. 11 Поперечное сечение элемента.

Величина, ветровая нагрузка, действующая на i-й элемент

, 10)

где - статическая составляющая ветровой нагрузки, - динамическая составляющая ветровой нагрузки, - коэффициент динамичности, учитывающий пульсацию ветрового напора.

Статическая составляющая определяется как

, 11)

где - коэффициент аэродинамического сопротивления, - коэффициент учета изменения давления ветра в зависимости от высоты, - динамическое давление ветра соответствующего расчетного случая.

Коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от формы обтекаемого предмета и определяется экспериментальным путем. Данные по коэффициентам для различных конструкций приведены в [3]. Приближенные значения коэффициента аэродинамической силы с для разных типов конструкций приведены ниже: конструкции из труб - ; коробчатые конструкции с гладкими наружными поверхностями, прямоугольные кабины, противовесы, канаты, груз, понтоны ; балки с выступающими поясами и наружными ребрами, плоские фермы из прямоугольных профилей .

Коэффициент зависит от расположения рассчитываемых элементов конструкции по высоте. Значения коэффициентов определены по статистическим данным и приведены в Таблица 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов учета динамического давления ветра

в зависимости от высоты

Высота над поверхностью земли, м	до 10	до 20	до 40	до 60	до 100	до 200	свыше 200
	1,00	1,25	1,55	1,75	2,10	2,60	3,10

Динамическое давление ветра рабочего состояния на высоте до 10 метров нормировано в зависимости от расчетного случая нагружения (нормальный ветер рабочего состояния Па, максимальный ветер рабочего состояния Па для порта), нерабочего состояния от района (зоны), в котором эксплуатируется ПТМ. Карта районирования территории РФ и значения давлений ветра приведены в приложениях к [3].

3) Инерционные нагрузки возникают в периоды неустановившегося движения механизмов, при изменении скорости и направления движения или инерционных параметров (масс или моментов инерции) движущихся элементов.

Во времени работы механизма можно выделить три этапа (Рис. 12, участок 1 соответствует разгону, 2 - установившемуся движению, 3 - торможению).

При криволинейном движении возникает центростремительное ускорение

, 12)

где – угловая скорость рабочего движения, – радиус кривизны траектории рабочего движения, и, как следствие, центробежная сила инерции.

Рис. 12 Этапы работы механизма.

– скорость выполнения рабочего движения, - время

Направление – в сторону противоположную ускорению.

Точка приложения – центр тяжести элемента ПТМ.

Величина, сила инерции

, 13)

где – масса i-го элемента, – ускорение центра тяжести i-го элемента.

4) Силы трения движения возникают при движении элементов ПТМ и препятствуют ему. Они бывают двух видов трение скольжения и трение качения и имеют разную природу. Трение скольжения возникает в шарнирах машин без подшипников или на подшипниках скольжения, при волочении груза по желобу или тягового органа по направляющим и т.п. Трение качения возникает в опорах валов и осей на подшипниках качения, при качении колес или катков по опорной поверхности и т.п. Трение характеризуется силой трения.

Трение скольжения обусловлено прежде всего шероховатостью, деформацией поверхностей, а также наличием молекулярного сцепления прижатых друг к другу тел (Рис. 13 а). Трение зависит от материала тел, состояния трущихся поверхностей и рода смазки. Трение скольжения сопровождается изнашиванием, т. е. отделением или остаточной деформацией материала, а также нагревом трущихся поверхностей тел (остаточной называется деформация, не исчезающая после прекращения действия внешних сил).

Причины возникновения трения качения иные. В результате действия силы (сила нормального давления, прижимающая каток к опорной плоскости) произойдет деформация катка и опорной плоскости в месте их соприкосновения, возникнет т.н. пятно контакта (Рис. 13 б). Сила N будет уравновешиваться реакцией опорной плоскости, эти силы дают нам вращающий момент , препятствующий движению. Величина пятна контакта зависит от характеристик материала соприкасающихся элементов, от силы нормального давления, от размеров катка и вида опорных поверхностей. Трение качения в большинстве случаев меньше трения скольжения, поэтому вместо подшипников скольжения широко применяют шариковые, роликовые или другие подшипники качения.

а) б)

Рис. 13 Виды трения.

Направление – в сторону противоположную движению.

Точка приложения – точка соприкосновения трущихся поверхностей.

Величина, сила трения

для трения скольжения

, 14)

где – коэффициент трения скольжения, значения его определяют опытным путем для разных пар материалов и условий работы,

для трения качения

, 15)

Где - плечо момента, м, называют коэффициентом трения качения. Коэффициент трения качения определяется опытным путем.

Чтобы привести зависимость 15 к виду зависимости 14, следует воспользоваться приведением на основании равенства работ момента и силы . Дадим катку виртуальное угловое перемещение , которому соответствует линейное виртуальное перемещение . Тогда работа момента и силы

, а

Отсюда следует

, 16)

где – диаметр катка.

5) Нагрузки от раскачивания груза на канатах (раскачивания подвешенного элемента) в двух плоскостях возникают из-за горизонтальных сил инерции при передвижении (выдвижении) элемента ПТМ, качании стрелы или повороте. Нагрузки от раскачивания учитываются отдельно, поскольку период затухания их достаточно велик и они продолжают действовать при возникновении новых сил инерции. Таким образом, появляется дополнительная горизонтальная нагрузка (Рис. 14)

Рис. 14 Схема раскачивания груза на канатах.

, 17)

где – вес груза с ГЗУ, – угол отклонения грузовых канатов от вертикали. Значения угла отклонения определяются либо путем моделирования, либо по экспериментальным данным для различных типов машин. Углы отклонения для портальных кранов приведены в [9, 37].

Оставшиеся нагрузки можно сгруппировать следующим образом.

6) Специальные или особые нагрузки.

К ним относятся нагрузки, вызванные особенностями географической зоны установки ПТМ или особенностями технологии ее применения. Примерами таких нагрузок могут служить нагрузки от снега или оледенения при установке в районах крайнего севера, нагрузки от залипания слитков при подъеме их с пола в металлургических цехах. К особым или специальным нагрузкам относятся также транспортные при перевозке.

7) Экстремальные нагрузки

К ним относятся нагрузки, вызванные нарушениями нормальных условий эксплуатации ПТМ, такими, как удары в буферы, наезды на тупиковые упоры, зацепление при подъеме груза, зацепление и срыв груза при опускании, столкновения и наезды и т.п.

8) Чрезвычайные нагрузки

К ним относятся нагрузки, возникающие в чрезвычайных ситуациях, например, сейсмические нагрузки при землетрясениях.