Исследование напряжённо-деформированного состояния пролётных балок мостовых кранов с оптимизированными массогабаритными показателями

УДК 621.874

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЛЁТНЫХ БАЛОК МОСТОВЫХ КРАНОВ

С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ МАССОГАБАРИТНЫМИ

ПОКАЗАТЕЛЯМИ

В.Ю. Анцев, А.С. Толоконников, В.А. Обыденов

Выполнен сравнительный анализ напряжений и деформаций конструкций пролетных балок мостовых кранов общего назначения с оптимизированными размерами поперечных сечений. В качестве объекта исследования принят мостовой кран грузоподъемностью 20 тонн с пролетами по ГОСТ 1575-87 «Краны грузоподъемные. Ряды основных параметров».

Ключевые слова: мостовой кран, пролетная балка, оптимизация, параметры сечения, напряжения, деформации.

Основное условие проектирования металлических конструкций -создание рациональных конструктивных схем и установление областей их применения при наивыгоднейших значениях их геометрических параметров и размеров отдельных элементов. Эти вопросы решаются с помощью вариантного проектирования и оптимизации. Важно, что как правило, оптимальные металлические конструкции в целом не могут быть получены на базе оптимальных частных решений их узлов, так как при увязке в комплексе отдельные узлы могут утрачивать значения своих оптимальных параметров [1].

Минимальные размеры поперечных сечений рассчитываемой конструкции определяются из условий прочности при одноразовой наибольшей нагрузке и при переменных во времени нагрузках различной величины; при этом должна быть обеспечена местная устойчивость продольносжатых и листовых элементов, жесткость конструкций в целом. Удовлетворение требований различных ограничений конструкторско-

технологического характера приводит к увеличению массы конструкции.

Таким образом, оптимальными следует считать конструкции балок, которые при надёжной работе имеют минимальную сумму стоимости изготовления и эксплуатации. Так как масса конструкции в значительной степени определяет её стоимость (от 70 % и выше), то задача снижения материалоемкости и повышения технологичности металлоконструкций являются актуальной.

На кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета выполнен ряд работ [2, 3, 4], направленных на совершенствование метода расчёта пролетных балок мостовых кранов. В качестве результатов этой работы получены параметрические ряды и номограммы поиска оптимальных массогабаритных пока-

230

зателей пролётных балок. Однако усовершенствованный аналитический метод расчета и полученные на его основании результаты требуют проверку их адекватности, что может быть осуществлено путем привлечения систем автоматизированного проектирования (САПР), реализующих метод конечных элементов для определения напряженного-деформированного состояния конструкций.

Одним из современных средств САПР является программный модуль SolidWorks. Он представляет собой систему твердотельного параметрического моделирования и обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Программа содержит всю необходимую номенклатуру инструментов, причем некоторые возможности, крайне эффективны для разработки объектов, ориентированных на последующее использование программ расчета. Подмножество функций, ориентированных на работу с криволинейными объектами: инструменты сплайнов, команды создания тел, имеющих криволинейные поверхности, процедуры обеспечения гладкости, построения сопряжений, позволяют с приемлемой точностью готовить любые модели для анализа методом конечных элементов.

Средством построения и расчёта конечно-элементных моделей в SolidWorks является модуль SWR Simulation COSMOSWorks. Модуль COSMOSWorks способен одновременно отображать результаты нескольких расчетов. Кроме того, он включает модуль параметрической оптимизации, а также инструмент сценариев проектирования.

Для проверки адекватности полученных в [2, 3, 4] размеров поперечного сечения пролётной балки, были построены и подвергнуты нагружению в САПР SWR Simulation конечно-элементные модели пролётных балок мостового крана грузоподъёмностью 20 тонн и пролётами согласно ГОСТ 1575-87 «Краны грузоподъемные. Ряды основных параметров». Данные результатов расчетов сведены в таблицу.

Значения допускаемых и расчетных характеристик пролётной балки

Пролёт крана, м Допускаемое напряжение, МПа Действующее напряжение, МПа Допускаемый прогиб, м Фактический прогиб, м

10,5 270 126 0,014 0,01

16,5 270 139 0,022 0,019

22,5 270 155 0,03 0,028

28,5 270 157 0,038 0,037

34,5 270 186 0,046 0,045

Результаты расчётов значений напряжений и перемещений в балках показывают, что значения прогибов и напряжений не превышают допустимых для каждого типоразмера балки. Из этого следует вывод, что прочность и жесткость пролётных балок с оптимальными массогабаритными

231

показателями, полученными на основе разработанной математической модели и усовершенствованного метода расчёта геометрических параметров поперечного сечения пролётных балок, обеспечена. При этом процент использования прочности материала конструкции находится в пределах от 46,7 % до 68,9 % для пролетов от 10,5 м. до 34,5 м. соответственно. Однако для рассматриваемых типоразмеров и номинальных грузоподъемностей мостовых кранов определяющим является расчет на жесткость (прогиб конструкции). Процент использования жесткости конструкции, которая определяется геометрическими параметрами поперечного сечения, находится в пределах от 71,4 % до 97,3 % для пролетов от 10,5 м. до 34,5 м. соответственно. Анализ коэффициентов использования материала и размеров конструкции позволяет сделать вывод о возможности поиска решений по оптимизации массогабаритных показателей для кранов пролетами до 16,5 м.

Список литературы

1. Справочник по кранам: В 2 т. Т. 1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций / В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.; под общ. ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1988. 536 с.

2. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Калабин П.Ю. Оптимизация металлических конструкций грузоподъемных машин мостового типа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. В. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. С. 18-22.

3. Калабин П.Ю., Толоконников А.С., Анцев В.Ю. Моделирование предельного состояния металлоконструкций мостовых кранов с оптимизацией размеров поперечных сечений // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Научно-технический журнал №5-2 -Орел: ОрелГТУ, 2010. С.71- 75.

4. В.Ю. Анцев, А.С. Толоконников, С.А. Потапов, П.Ю. Калабин Совершенствование метода расчёта пролетных балок грузоподъемных машин мостового типа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Ч. 1. С. 144-153.

Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Толоконников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Обыденов Валерий Анатольевич, канд. техн. наук, инженер-конструктор, Россия, Тула, ЗАО «Производственная компания «Химсервис» имени А.А. Зорина».

INVESTIGA TION OF THE STRESS-STRAIN STA TE OF THE GIRDERS OF THE BRIDGE CRANES WITH OPTIMIZED MASS-DIMENSION PARAMETERS

V.Y. Anzev, A.S. Tolokonnikov, V.A. Obidenov

A comparative analysis of the stress and deformation structures of the span of beams bridge cranes general purpose with optimized dimensions of cross-sections. As the object of study adopted a bridge cargo crane with the bearing capacity 20 tons with flights to GOST 1575-87 «Lifting cranes. Series of the main parameters».

Key words: bridge crane, span of beam, optimization, size of section, stress, deformation.

Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical science, professor, manager of department, Russia, Tula, Tula State University,

Tolokonnikov Alexander Sergeevich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University,

Obydenov Valery Anatolievich, candidate of technical science, design engineer, Russia, Tula, CJSC «Production company «Himservice» name A.A. Zorin».

УДК 621.873.1

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛОВЫМ КРАНОМ С УЧЁТОМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

А.В. Редькин

Предложен способ управления стреловым краном, позволяющий учитывать дополнительные опрокидывающие моменты, возникающие вследствие действия сил инерции и внешних возмущений в процессе выполнения грузоподъёмных операций.

Ключевые слова: стреловой кран, безопасность, устойчивость, система управления, инерционные нагрузки.

Исследования в области устойчивости к опрокидыванию стреловых кранов и динамики исполнительных механизмов кранов базируются на рассмотрении классических моделей колебательных систем. Исследованиям загруженности механизмов грузоподъёмных машин посвящены работы многочисленных авторов: Вайнсона А.А., Гохберга М.М., Зарецкого А.А., Гладких П.А., Васина Б.Г., Гобермана Л.А., и других. Существующая нормативная методика расчета устойчивости стреловых кранов, по сути, явля-

233