Устойчивость стационарных башенных кранов при действии резких порывов ветра в условиях Вьетнама

В процессе эксплуатации стационарных башенных кранов во Вьетнаме, часты аварии и катастрофы с причинением ущерба людям и имуществу. Распространенными причинами аварий кранов из-за потери устойчивости являются такие, как перегрузка, подтопление или ветровое воздействие. При этом ветровая нагрузка в условиях Вьетнама является доминирующей из-за особенностей его географического расположения.

Климат Вьетнама, в том числе и условия эксплуатации башенных кранов, определяются процессами, происходящими в бассейне Южно-Китайского моря. Для Южно-Китайского моря характерны так называемые северные вторжения. Под этим термином понимают быстрое распространение масс холодного воздуха зимой, с севера, со скоростью около 15 м/с, на северные и средние части моря и побережье до 15° с.ш. Другая особенность климата Южно-Китайского морятропические циклоны. Скорость ветра в тропических циклонах превышает 30 м/с, достигая 50 м/с. Кроме высокой скорости ветра, северные вторжения и циклоны характеризуются резкими порывами ветра, определяющими изменение динамики ветрового потока. В среднем, за год, на шельф Вьетнама выходит около 6 тропических циклонов. Поэтому обеспечение устойчивости стационарных башенных кранов в условиях Вьетнама является важной теоретической и практической задачей. Важнейшим аспектом решения этой задачи является обеспечение устойчивости в условиях сильных порывов ветра.

Башенные краны обладают высокой чувствительностью к ветровой нагрузке, поэтому безопасность и производительность погрузочно-разгрузочных работ, выполняемых ими, в значительной степени зависят от воздействий на металлоконструкцию внешних возмущающих факторов, связанных с изменением динамики ветрового потока. Для гарантированного обеспечения устойчивости крана необходимо оснастить его бортовым устройством стабилизации устойчивого положения.

В настоящий момент наиболее распространенными устройствами, позволяющими контролировать устойчивость установки при ветре рабочего состояния, является ограничитель грузового момента и анемометр, работающие в индикаторном режиме, и не влияющие на управление машиной до момента достижения критического значения устойчивости. В то же время, при выполнении погрузочно-разгрузочных задач, изменение динамики и увеличение скорости ветрового потока могут привести к опрокидыванию установки. В нерабочем состоянии, контроль состояния машины не осуществляется, а обеспечение устойчивого и безопасного состояния машины достигается ослаблением тормозного механизма поворота башни.

Таким образом, для обеспечения безопасной эксплуатации во Вьетнаме стационарных башенных кранов, актуально решение научной задачи создания автоматизированной системы, обеспечивающей сохранение устойчивости крана в условиях изменения динамики ветрового потока. Система должна выполнять следующие функции: постоянный контроль параметров крана и внешних факторов, влияющих на устойчивостьвыработку управляющих сигналов на механизмы, обеспечивающие сохранение устойчивостиадаптацию алгоритмов работы к изменяющимся внешним условиям Вьетнама.

Объектами исследования являются стационарные, свободностоящие быстромонтируемые башенные краны фирмы POTAIN IGO-50 второй размерной группы, грузоподъемностью 4 т.

Цель работы заключается в повышении безопасности эксплуатации стационарных башенных кранов, путем обеспечения устойчивости крана управлением механизмами поворота и фиксации башни для предупреждения перегрузок, возникающих вследствие изменения динамики ветрового потока.

Задачи исследования:

— провести анализ особенностей эксплуатации стационарных башенных кранов в климатических условиях Вьетнама;

— провести анализ существующих методов и устройств, обеспечивающих устойчивость башенных кранов;

— выполнить исследование процесса динамического ветрового нагружения крановой установки;

— разработать способ обеспечения устойчивости стационарного башенного крана при изменении динамики ветрового потока;

— разработать алгоритмы обеспечения устойчивости кранавыполнить исследование системы обеспечения устойчивости стационарного башенного крана.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории грузовой и собственной устойчивости грузоподъемных машин, теории механики сплошных сред, методе конечных элементов. Построение математических моделей ветрового нагружения осуществлялось с использованием комплекса трехмерного твердотельного моделирования Solid Works 2012. Для проведения расчетов использовалась вычислительная среда ANSYS CFD. Для построения алгоритмов автоматического управления использовался программный комплекс MATLAB с пакетом нечеткого анализа Fuzzy Logic.

В диссертации получены новые научные результаты, выносимые на защиту: — результаты анализа особенностей эксплуатации башенных кранов во Вьетнаме;

— результаты моделирования ветровой нагрузки на стационарный башенный кран с учетом шквалистых порывов ветра;

— анализ влияния изменения динамики ветрового потока на коэффициент аэродинамического нагружения;

— способ обеспечения устойчивости стационарного башенного крана в условиях действия шквалистых порывов ветра;

— нечеткие алгоритмы работы системы обеспечения устойчивости стационарного башенного крана в период действия шквалистых порывов ветра;

— результаты моделирования и исследования системы обеспечения устойчивости стационарного башенного крана.

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые обоснована необходимость упреждающего воздействия на стационарный башенный кран с целью обеспечения его устойчивости при изменении динамики ветрового потокаспособ обеспечения устойчивости стационарных башенных кранов при воздействии порывов ветра, состоящий в принудительной корректировке положения крана относительно направления ветрового потока.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием фундаментальных положений и теорий грузовой и собственной устойчивости, адекватностью разработанной модели реальным процессам, подтверждением полученных теоретических результатов с данными машинного эксперимента.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный способ позволяет осуществлять активное управление устойчивостью, с упреждением в период действия порывов ветра рабочего состояния, то есть не только сигнализировать об опасной ситуации, но и принудительно корректировать алгоритм перемещения груза без остановки исполнительных механизмов. При ветре нерабочего состояния разработанный способ позволяет осуществлять постоянную корректировку положения стрелового устройства — по ветру, то есть обеспечивает возможность минимизации наветренной площади крана.

Разработанный способ управления устойчивостью может быть использован для создания устройств безопасности и стабилизации положения любых свободностоящих кранов, для которых динамичность ветрового воздействия носит существенный характер.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы» Московского государственного университета путей сообщенияна 15, 16 и 17-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» 2011, 2012, 2013 г. г.- на 12 и 13-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МИИТ 2011, 2012 г. г. Работа коллектива авторов в составе: Мишин A.B., Хряков К. С., Чан Дык.

Хиеу «Метод и технические средства управления динамической устойчивостью стационарных башенных кранов» участвовала в 12-й Всероссийской выставке научно-технического творческого молодёжи «НТТМ-2012», проходящей на ВВЦ 26 — 29 июня 2012 года. Работа отмечена золотой медалью выставки.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК, 5 тезисов докладов.

Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 62 рисунка и библиографию из 88 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников.

117 ВЫВОДЫ.

1. Система обеспечения устойчивости стационарного башенного крана в условиях действия порывов ветра построена на принципе корректировки и поддержании заданного положения стрелового устройства относительно ветрового напора, управлением гидродинамическими муфтами и вспомогательным приводом, обеспечивающими устойчивость путем изменения жесткости, внедренной в кинематическую схему поворота башни, и принудительным поворотом стрелы крана.

2. Для функционирования системы безопасности она должна быть оснащена системой датчиков, включающие: датчик положения стрелы, датчик скорости ветра и датчик направления ветрового потока.

3. При внезапно изменяющейся ветровой динамике, характеризуемой шквалистыми порывами ветра, в основном приводе поворотной платформы жесткая связь тормоз — гидродинамическая муфта отключается, а во вспомогательном приводе включается, подключая вспомогательный двигатель, что позволяет крану с максимальной скоростью принять наиболее устойчивое положение.

4. Внедрение вспомогательного привода поворотной платформы крана позволяет обеспечить максимум быстродействия при возникновении опасных ускорений за счет того, что кран принимает устойчивое положение с максимально возможной скоростью.

5. Использование гидродинамической муфты позволяет осуществлять плавный запуск и обеспечение уменьшения потребления электрического тока. В фазе запуска двигатель запускается с низкой нагрузкой, что позволяет использовать короткозамкнутые асинхронные двигатели без применения специальной пусковой аппаратуры.

6. Моделирование системы приводов проведено с использованием пакета программ 81тиПпк программной среды МАТЬАВ. Время переходного процесса вспомогательного привода системы составляет I = 2,1с. Учитывая, что в решаемой задаче не требуется высокая точность позиционирования, можно считать, что переходный процесс заканчивается за время I = 1,3 с. Погрешность позиционирования, при этом, не превышает 15%.

7. Активный вспомогательный привод устанавливается на поворотную платформу крана параллельно основному. Система управления исключает возникновение конфликтных ситуаций между приводами. Для вспомогательного привода поворотной платформы рекомендован двигатель модели АИР80А4 и планетарный редуктор марки ПО 2−15.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача повышения безопасности эксплуатации стационарных башенных кранов при действии порывистых шквалистых ветров в условиях Вьетнама, путем исследования и разработки системы обеспечения устойчивости крана, управлением механизмом поворота и фиксации башни для предупреждения перегрузок, возникающих вследствие внезапного изменения скорости ветрового потока. На основе теоретических исследований и компьютерного моделирования впервые обоснована необходимость упреждающего воздействия на стационарный башенный кран с целью обеспечения его устойчивости. Разработан способ обеспечения устойчивости стационарных башенных кранов при воздействии шквалистых порывов ветра, состоящий в принудительной корректировке положения крана относительно направления ветрового потока с упреждением во времени.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что главной причиной аварий стационарных башенных кранов во Вьетнаме, в связи с потерей устойчивости, является ветровое воздействие, особенностью которого является его порывистый шквалистый характер с предельной расчетной скоростью ветра на высоте над землей 10 м v> 30 м/с, и динамическим давлением q = 1000 Па. При шквалистом ветре, помимо кратковременных пульсаций, происходит резкое нарастание средней скорости и давления ветра. Нарастание давления и скорости до полной величины при сильных шквалах может происходить за единицы и даже доли секунды.

2. Построена конечно-элементная модель взаимодействия металлоконструкции стационарного башенного крана с ветровым потоком в среде ANS YS, в полной трехмерной постановке задачи для разных углов атаки ветрового потока. Модель позволила определить предельные значения углов атаки ветрового потока и опрокидывающих моментов, при которых обеспечена собственная и грузовая устойчивость крана, для различных сочетаний ветровой нагрузки и массы груза.

3. Установлено, что изменение динамики ветрового потока, определяемое турбулентностью ветрового потока и выражаемое зависимостью лобового сопротивления крана от числа Рейнольдса, а так же коэффициентом порывистости ветра не является определяющим фактором, влияющим на устойчивость крана, и учитывается коэффициентом запаса устойчивости.

4. Для значений числа Рейнольдса 102 < И < 105 величина лобового сопротивления цилиндрических элементов конструкции крана практически постоянна и составляет Сх < 1,2. Для устойчивого порывистого ветра, при средней скорости ветра более 15 м/с, значение коэффициента порывистости составляет Кп < 1,4 и с увеличением средней скорости ветра постепенно стабилизируется до среднего значения, Кп = 1,23.

5. Основными показателями, определяющими устойчивость башенного крана, являются: средняя скорость ветра за некоторый интервал времени, скорость ее нарастания и угол атаки ветрового потока.

6. Разработан способ обеспечения устойчивости стационарного башенного крана в период действия шквалистых порывов ветра, основанный на принципе активной корректировки и поддержания заданного положения стрелы крана относительно ветрового напора с выработкой упреждающих управляющих сигналов на механизмы, обеспечивающие поворот стрелы крана до возникновения критического момента и сохранение устойчивости.

7. По результатам наблюдений скорости и ускорения ветрового напора v (trг), на определенном интервале времени т производится экстраполяция значений ускорения и, на основе рекуррентного алгоритма + т) = П[т/(?п),+ т)]> вычисляется его будущее значение, характеризующее состояние объекта и прогнозируемое значение скорости + т). При достижении прогнозируемой величины скорости критическому значению, стрела принудительно поворачивается в зону с большим запасом устойчивости.

8. Способ реализован в алгоритмах обеспечения устойчивости стационарного башенного крана, основанных на применении методов нечеткой логики, для ветра рабочего состояния, ветра нерабочего состояния и для шквалистых порывов ветра.

9. Система обеспечения устойчивости стационарного башенного крана в условиях действия порывов ветра построена на принципе корректировки и поддержании заданного положения стрелового устройства относительно ветрового напора, управлением гидродинамическими муфтами и вспомогательным приводом, обеспечивающими устойчивость путем изменения жесткости, введенной в кинематическую схему поворота башни, и упреждающим принудительным поворотом стрелы крана вспомогательным приводом.

10. Внедрение вспомогательного привода поворотной платформы крана позволяет обеспечить максимум быстродействия при возникновении опасных ускорений за счет того, что кран принимает устойчивое положение с максимально возможной скоростью и упреждением. Время переходного процесса вспомогательного привода системы составляет I = 1,3 с. Погрешность позиционирования, при этом, не превышает 15%.