Impact of wind effects on the loading of hydraulic cranes-manipulators with articulated booms

Full Text

Влияние ветровых воздействий на нагруженность гидравлических крано-манипуляторных установок с шарнирно-сочлененными стрелами д.т.н. проф. Ковальский В.Ф., к.т.н. Лагерев И.А. Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Брянский государственный университет имени академика И.Г.Петровского 8 (495) 684-22-08, kovalskij@miit.ru, 8 (4832) 64-81-17, lagerev-bgu@yandex.ru Аннотация. С использованием универсальных математических моделей иссле- дования динамики гидравлического крана-манипулятора при движении звеньев стрелы проанализировано влияние интенсивности продольных и поперечных вет- ровых воздействий на его нагруженность. Показано, что ветровая нагрузка не только вызывает дополнительные механические напряжения в элементах кон- струкции, но также влияет на кинематические и динамические параметры движе- ния звеньев шарнирно-сочлененной стрелы крана-манипулятора. Ключевые слова: установка крано-манипуляторная, кран-манипулятор, ветровое воздействие, динамика, нагруженность, моделирование Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Президента РФ для госу- дарственной поддержки молодых ученых-кандидатов наук № МК-92.2014.8. Гидравлические крано-манипуляторные установки, смонтированные на подвижном шасси различных транспортно-технологических машин, получили широкое распространение в различных отраслях экономики Российской Федерации. Они широко используются во всех регионах России, в том числе, в регионах с высоким ветровым давлением до 700… 1000 Па, т.е. в V-VII ветровых районах согласно СНиП 2.01.07 (горные районы Кавказа, Средней Азии и Сибири, северное и северо-восточное побережье России). В этих условиях ветровая нагрузка может вносить заметный вклад в нагруженность металлоконструкции кранов- манипуляторов и оказывать влияние на кинематические и динамические параметры переме- щения груза шарнирно-сочлененными стрелами в процессе выполнения погрузочно- разгрузочных и иных видов работ [1]. Для оценки степени влияния интенсивности и направления воздействия ветровой нагрузки на количественные характеристики работы крано-манипуляторных установок с шарнирно-сочлененными грузоподъемными стрелами, состоящими из последовательно со- единенных подвижных звеньев, целесообразно использовать методики кинематического и динамического анализа, предложенные в работах [2-5]. Если известны линейная   v3 и угловая 3 скорости, а также линейное a3  З  и угловое  ускорения в начале отсчета звена шарнирно-сочлененной грузовой стрелы крана- манипулятора, то в произвольной точке по длине звена эти величины могут быть найдены по следующим зависимостям: v  vÇ  ωÇ  r; ω  ω3 ; a  aÇ  εÇ  r  ωÇ  ωÇ  r ; 3    ,      (1) (2) (3) (4) где: r вектор из начала координат звена до заданной точки; v ,  , a ,  соответственно линейная и угловая скорости, линейное и угловое ускорения в заданной точке. С помощью зависимостей (1) - (4) определяются скорости и ускорения в центре тяже- сти рассматриваемого звена, а также в точке крепления к этому звену шарнира, соединяюще- го рассматриваемое звено с последующим звеном. Если система отсчета шарнира повернута относительно системы отсчета предыдущего звена, то переход между ними осуществляется с использованием матрицы поворота: Ò uø  Rø uÇ; (5) uÇ  Rø uø ,   где: uш , uЗ - вектор, выраженный в системах отсчета шарнира и звена соответственно; Rш - матрица поворота из системы координат шарнира в систему координат звена. vш По зависимостям (1) - (5) вычисляются линейная   и угловая ш скорости, а также aш линейное   и угловое  ш ускорения в начале отсчета шарнира. По формулам (1) - (5) в алгоритме Ньютона-Эйлера осуществляется прямой ход. В ос- нове обратного хода лежат следующие зависимости: F  m  aöò ; (6) M  J  εöò ωöò  J  ωöò ,    (7) где: m, J - масса и момент инерции звена стрелы крана-манипулятора; ωцт , aцт , εцт - угловая скорость, линейное ускорение, угловое ускорение, вычисленные в центре тяже-  сти звена; F , M - обусловленные действием внешних сил (в том числе и ветровой нагрузки) равнодействующие сила и момент, приведенные к центру тяжести звена [2; 4]. Из уравнений (6) и (7) вычисляются сила и момент, передаваемые через шарнир от од- ного звена крана-манипулятора к предыдущему. Неизвестные усилия привода τ в шарнирах стрелы определяются с помощью проекции усилия в сочленении на ось шарнира. Усилие гидроцилиндра прикладывается к звеньям стрелы крана-манипулятора. При расчете крано-манипуляторных установок с гидравлическим приводом перемещения звеньев стрелы следует учитывать, что скорость движения штока силового гидроцилиндра ограниче- на величиной подачи насоса, что позволяет моделировать возрастание сил сопротивления движению и падение скорости движения звена при воздействии сильного ветра: vø  Qí Sãö , где: vш , Qн Sгц - скорость штока и эффективная площадь поверхности поршня гидроцилиндра; подача (объемный расход) насоса [2], являющаяся его технической характеристи- кой. В качестве примера использования предложенного алгоритма и оценки степени влия- ния интенсивности и направления воздействия ветровой нагрузки на нагруженность метал- локонструкции шарнирно-сочлененной грузоподъемной стрелы был выполнен расчет крана- манипулятора транспортной машины АСТ-4-А (рисунок 1а), используемой при прокладке магистральных газо- и нефтепроводов, при транспортировке номинального груза весом G и воздействии продольного (p1) и поперечного (p2) ветра с давлением 0, 500, 1000, 1500, 2000, 2500 Па. Давление в 1000 Па можно считать предельным для реальных условий эксплуата- ции манипуляторов на территории РФ, однако, для наглядности проведены расчеты для больших значений. Расчетная схема исследуемого крана-манипулятора (рисунок 1б) является разомкнутой, не имеет ответвлений, замкнутых контуров и дублирования. При проведении моделирования было принято, что грузоподъемная машина установлена на абсолютно жестком неподвиж- ном основании. На практике, базовое шасси машины оказывает определенное влияние на ди- намику крана-манипулятора [6], однако для сравнительных расчетов напряженно- деформированного состояния при разной интенсивности и направлении ветровой нагрузки податливостью шасси допустимо пренебречь. а) б) Рисунок 1. Исследуемый кран-манипулятор: а - трехмерная модель; б - расчетная схе- ма; 1 - стрела; 2 - поворотная колонна; 3 - нижний гидроцилиндр; 4 - рукоять; 5 - верхний гидроцилиндр Для моделирования использовался разработанный программный комплекс численного расчета манипуляционных систем [7]. Внешние нагрузки, вызванные воздействием ветра, определялись по заложенному алгоритму [3, 5], использующему трехмерную модель кон- струкции крана-манипулятора для вычисления площади, на которую воздействует заданное ветровое давление. На основании выполненных расчетов построены графики изменения в процессе движе- ния максимальных напряжений в стреле и рукояти крана-манипулятора при воздействии продольного ветра, показанные на рисунках 2 и 3. В зависимости от положения звена стрелы продольная ветровая нагрузка может созда- вать как дополнительные механические напряжения, так и частично разгружать конструк- цию. При расположении звена по направлению ветра (параллельно направлению движения воздуха) продольная ветровая нагрузка практически не оказывает влияние на напряженное состояние звена, так как вызывает только сжимающие напряжения, которые значительно меньше изгибных напряжений из-за воздействия дополнительного изгибающего момента. На рисунках 2 и 3 этот момент соответствует зонам пересечения графиков. t, сек Рисунок 2. Напряжения в наиболее опасном сечении рукояти крана-манипулятора при различном продольном ветровом давлении p1, МПа t, сек Рисунок 3. Напряжения в наиболее опасном сечении стрелы крана-манипулятора при различном продольном ветровом давлении p1, МПа t, сек Рисунок 4. Напряжения в наиболее опасном сечении стрелы крана-манипулятора при различном поперечном ветровом давлении p2, МПа Продольная ветровая нагрузка также влияет на скорость движения звена стрелы крана- манипулятора, так как лежит в той же плоскости, что и движущее усилие гидропривода. Чем выше продольная скорость ветра, тем оказывается больше продолжительность цикла работы крана-манипулятора по отработке требуемого движения груза за счет увеличения сопротив- ления движению. Однако при достаточном запасе мощности силового гидроцилиндра и до- статочной подаче в него рабочей жидкости насосной установкой машины уменьшение ско- рости движения не превышает 0,5%. Для выработки рекомендаций по повышению произво- дительности работы крана в условиях значительных ветровых нагрузок необходимо провести в дальнейшем более детальный анализ этого явления. На рисунке 4 показан график изменения максимальных напряжений в стреле при воз- действии поперечного ветра. Качественная картина изменения максимальных напряжений в рукояти выглядит аналогично. На графике видно, что поперечная ветровая нагрузка вызывает дополнительные меха- нические напряжения в элементах конструкции. Величина этих напряжений растет с увели- чением скорости ветра. Явление разгрузки металлоконструкции, как это имеет место при воздействии продольного ветра, отсутствует. Выводы Ветровые нагрузки способны оказывать определенное влияние на уровень напряженного состояния металлоконструкций и количественные характеристики перемещения грузов шарнирно-сочлененными грузоподъемными стрелами гидравлических крано- манипуляторных установок мобильных транспортно-технологических машин. При этом имеет значение не только интенсивность ветрового давления (скорость ветра), но и направление ветрового воздействия по отношению к плоскости расположения стрелы и перемещения груза. При направлении ветра, продольном относительно плоскости стрелы крана- манипулятора, ветровое давление может оказывать двоякое действие: на отдельных вре- менных интервалах в пределах цикла работы крана по отработке движения груза оно мо- жет приводить к повышению общего напряженного состояния в металлоконструкции звеньев стрелы, а на других - к снижению. Расчеты конкретного крана-манипулятора по- казали, что относительная величина такого отклонения уровня напряженного состояния может достигать 10…15%, причем она тем выше, чем выше ветровое давление. При направлении ветра, поперечном относительно плоскости стрелы крана- манипулятора, ветровое давление обуславливает повышение уровня напряженного состо- яния в металлоконструкции звеньев шарнирно-сочлененной стрелы также приблизитель- но на 10…15%.

About the authors

V. F Kovalskiy

Moscow State University of Railway Engineering

Email: kovalskij@miit.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 (495) 684-22-08

I. A Lagerev

Ivan Petrovsky Bryansk State University

Email: lagerev-bgu@yandex.ru
Ph.D.; +7 (4832) 64-81-17

References

Supplementary files