СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ Российский патент 1999 года по МПК G01L1/00 B66C23/86 

Изобретение относится к области стреловых гидроманипуляторов и может быть использовано при выполнении прочностных расчетов и оценке динамической устойчивости указанных машин.

Современной промышленностью выпускается достаточно большое количество высокопроизводительных и разнообразных по конструктивному исполнению и сложности стреловых гидроманипуляторов.

В связи со спецификой этого рода техники к ней предъявляются особые требования по обеспечению надежности.

Из числа проблем, связанных с решением этой задачи к наименее разработанным прежде всего следует отнести те, которые связаны с получением своевременной и достоверной информации о работоспособности элементов конструкции стреловых гидроманипуляторов и, особенно, о величинах и характере действующих на них динамических нагрузок, возникающих при работе в наиболее тяжелых условиях эксплуатации с полным (номинальным) грузом и по сути своей являющихся максимальными (предельными) силовыми характеристиками их рабочего состояния.

Динамические нагрузки реализуются в основном в периоды неустановившегося движения, например, при резком подъеме груза с жесткого основания со слабонатянутыми стропами грузовой подвески (подъем с подхватом) или мгновенном торможении опускаемого либо перемещаемого в окружном направлении груза и в ряде других случаев и носят случайный характер.

С учетом этих нагрузок производятся соответствующие оценки динамической устойчивости и прочностные расчеты стрелового гидроманипулятора в целом и отдельных элементов его конструкции.

При выполнении прочностных расчетов их обычно учитывают с помощью динамических коэффициентов и рассматривают как квазистатические.

Из отечественной и зарубежной технической литературы известен ряд экспериментальных и расчетно-аналитических способов определения динамических нагрузок, действующих в условиях эксплуатации на элементы конструкции стреловых гидроманипуляторов и других грузоподъемных машин, либо их комбинаций (см. "Справочник по кранам", том 1, 2. Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. М. М. Гохберга, М. , "Машиностроение", 1988 г. ББК 34.42Я2.С74. УДК 621.873 (031), ББК 39.12Я2. С74. УДК 621.873/.875 (031); "Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин" Авт. В.И.Брауде. Л., "Машиностроение". Ленинградское отделение, 1978. , УДК. 519. 241.2: 621.873/.875; "Теория, конструкция и расчет строительных и дорожных машин" Под редакцией Л.А.Гобермана. М., "Машиностроение", 1979 г.).

В процессе экспериментов обычно посредством прямых тензометрических и других аналоговых измерений определяют фактические значения изменяющихся во времени сил, действующих на элементы конструкции испытуемого объекта, ускорений, угловых и линейных скоростей, перемещений кинематических звеньев и груза, давлений в гидроцилиндрах и других параметров (см. "Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин". Авт.В.И.Брауде, стр.33 и др.).

Однако для получения необходимой информации таким способом требуется проведение натурных испытаний с использованием достаточно сложных и дорогостоящих измерительных систем (комплексов) и средств обработки результатов измерений.

Динамические нагрузки можно определить и различного рода расчетными методами, включая имитационный и др., посредством анализа процессов в соответствующей динамической системе, обычно описываемой дифференциальными уравнениями.

В основу имитационного метода определения динамических нагрузок положен системный подход, рассматривающий человека, машину и среду как единое целое (см. "Справочник по кранам", том 1. Под общей редакцией д-ра техн.наук проф. М. М. Гохберга. Стр.101). В соответствии с этим методом действия человека-оператора моделируют с помощью специальной программы, управляющей моделью крана. Кран или отдельный его механизм представляют в виде набранных на ЭВМ уравнений движения и зависимостей для определения усилий в расчетных сечениях элементов конструкции. Воздействия окружающей среды имитируют с помощью системы ограничений, начальных условий.

Работу крана и процессы нагружения его элементов моделируют посредством многократного решения на ЭВМ дифференциальных уравнений движения при случайных начальных условиях и параметрах динамической системы. При этом расчетные схемы и дифференциальные уравнения должны быть достаточно просты, так как с одной стороны, они предназначаются для определения статических осредненных характеристик нагрузок, а с другой - необходимости их многократного решения (моделируется до 50 и более циклов работы крана), что требует значительных затрат машинного времени или применения мощных аналоговых ЭВМ.

При проектировании новых грузоподъемных машин, имеющих эксплуатируемые аналоги, применяют комбинированные расчетно-экспериментальные методы определения характеристик динамических нагрузок.

Из числа известных аналогов изобретения ближайшим (прототипом) является способ определения динамических нагрузок по известным аналитическим зависимостям (формулам), связывающим скоростные, жесткостные и другие параметры грузоподъемной машины с уровнем искомых нагрузок (см. "Справочник по кранам", том. 1. Под общей редакцией д-ра техн.наук, проф. М.М.Гохберга. Раздел I. Глава 2. Параграф 1.8).

Недостатком указанного способа является сложность определения посредством соответствующих расчетов прямо или опосредованно используемых в аналитических зависимостях многих случайных факторов (зазоров в передачах и соединениях, массовых и геометрических параметров грузоподъемной машины, сил сопротивления, жесткостных характеристик кинематических звеньев и др.).

Влияние этих факторов может быть весьма существенным. Так, например, определенная экспериментально горизонтальная жесткость конца многозвенной стрелы опытного образца гидроманипулятора "Синегорец-25" разработки ЗАО "НК Уралтерминалмаш" оказалась более чем в 5 раз ниже расчетной, учитывающей только упругую податливость конструкции.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа определения динамических сил, действующих на элементы конструкции стреловых гидроманипуляторов при резком изменении скорости движения стрелы с подвешенным на ней при помощи гибкого звена грузом, основанного на использовании аналитических зависимостей, связывающих параметры элементов конструкции с уровнем определяемых нагрузок, и повышение достоверности получаемой при его использовании информации.

В соответствии с изобретением поставленная задача достигается тем, что согласно заявляемому способу в качестве параметров элементов конструкции используют предварительно определенные экспериментально фактические значения их массовых, геометрических, жесткостных и скоростных характеристик манипулятора, а динамические силы определяют по аналитическим зависимостям, приведенным ниже.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг. 1 - схема экспериментального определения жесткостных характеристик элементов конструкции стрелового манипулятора;
на фиг. 2 - вид А сбоку на стрелу гидроманипулятора при определении ее жесткостных характеристик;
на фиг.3 - динамическая модель стрелового гидроманипулятора с двумя степенями свободы;
на фиг.4 - графическое изображение характера изменений по времени определенной с использованием заявляемого способа величины горизонтального динамического усилия, действующего на элементы конструкции стрелового гидроманипулятора, и полученной экспериментально посредством прямых тензометрических измерений.

Заявляемый способ определения динамических сил, действующих на элементы конструкции стреловых гидроманипуляторов при резком изменении скорости движения стрелы 1 с подвешенным на ней при помощи гибкого звена 2 грузом 3, основан на использовании аналитических зависимостей, связывающих параметры элементов конструкции с уровнем определяемых нагрузок.

В соответствии с заявляемым способом в качестве параметров элементов конструкции используют предварительно определенные экспериментально фактические значения их массовых, геометрических, жесткостных и скоростных характеристик, а динамические силы определяют по следующим аналитическим зависимостям;

где F_г(t) - поперечная сила в зависимости от времени, Н;
V_гф - фактическое (измеренное) значение скорости груза в горизонтальной плоскости в момент его резкого торможения, м/с;
С_гф - фактическое значение жесткости конца стрелы гидроманипулятора, Н/м;
- безразмерный коэффициент (параметр);


Значение динамической силы в месте крепления груза в вертикальной плоскости определяется известным соотношением

где F_в(t) - величина максимального динамического усилия в зависимости от времени, Н;
V_вф - фактическое (измеренное) значение скорости груза в вертикальной плоскости, м/с;
С_вф - фактическая величина вертикальной жесткости конца стрелы, Н/м;
- приведенная масса, кг;
J - момент инерции стрелы относительно оси вращения, кг • м²;
l - расстояние от точки крепления груза до оси вращения, м.

При определении фактических жесткостных характеристик элементов конструкции стреловых гидроманипуляторов статически нагружают (см. фиг.1, 2) усилием Р известной величины конец стрелы 1 и с помощью простейших механических мерительных инструментов фиксируют его перемещения (деформации ..Z, . . Y) в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом максимальная величина нагружающего усилия в вертикальном направлении должна превышать усилие при определении жесткости в вертикальном и горизонтальном направлениях, поскольку колебания груза происходят относительно статического положения равновесия, соответствующего весу груза.

Жесткость мест крепления груза определяют как частное от деления величины прикладываемого к концу стрелы усилия P_z, P_y на соответствующее значение перемещения (деформации ..Z, ..Y) его под действием этого усилия.

В качестве простейших механических мерительных инструментов при выполнении указанной операции используют линейку и отвес.

При определении фактических значений скоростей подъема, опускания и поворота груза вокруг оси 4 поворотной стойки 5 стрелового гидроманипулятора при установившемся режиме его движения фиксируют время прохождения грузом участка известной протяженности в линейном или угловом измерении при помощи простейших механических мерительных инструментов, а указанные скорости перемещения груза определяют как частное от деления величины пройденного грузом мерного участка на затраченное для его прохождения время.

При этом в качестве простейших механических мерительных инструментов при выполнении указанных операций используют линейку, отвес и секундомер.

Согласно заявляемому способу для определения динамических сил используют динамическую модель стрелового гидроманипулятора с двумя степенями свободы (см.фиг.3), в которой учитывают колебания груза на подвесе и колебания точки подвеса груза с приведенными к этой точке массой и жесткостью стрелы.

Для поворота стрелы гидроманипулятора дифференциальные уравнения движения имеют вид


Начальные условия
Х_1(о) = 0,
,
α_(o) = 0,

где М₁, М₂ - приведенные к концу стрелы гидроманипулятора массы соответственно стрелы и груза, кг;
X₁ - перемещение массы М₁, м;
- начальная скорость при торможении массы М₁, м/с;
- ускорение массы М₁, м/с²;
α - угол отклонения груза массой М₂, приведенной к концу стрелы, рад;
- начальная угловая скорость вращения груза массой М₂ относительно конца стрелы, 1/с;
- угловое ускорение груза массой М₂ относительно конца стрелы, 1/с²;
О - начало координат;
С - приведенная к концу стрелы жесткость стрелы, Н/м;
g - ускорение земного тяготения, м/с²;
R - расстояние от центра масс груза до точки его подвеса, м;
V_г - горизонтальная скорость конца стрелы гидроманипулятора в момент торможения, м/с.

Решение указанной системы дифференциальных уравнений (3) и (4) позволяет получить аналитическую зависимость (1) для определения поперечной динамической силы, реализуемой в процессе поворота стрелы гидроманипулятора вокруг оси стойки.

Достоверность аналитических зависимостей (1) и (2) аппаратурно подтверждена при динамических испытаниях опытного образца гидроманипулятора "Синегорец-25" разработки ЗАО "НК Уралтерминалмаш".

Сравнительные результаты величин и характера реализуемых при резком изменении скорости движения стрелы гидроманипулятора "Синегорец-25" с подвешенным на ней при помощи гибкого звена грузом динамических сил, полученных аналитически с использованием заявляемого способа и экспериментально, посредством прямых тензоизмерений, проводившихся при помощи специализированного измерительно-вычислительного комплекса, приведены на фиг. 4.

Из указанных графиков видно хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных.

Предлагаемый способ определения динамических сил несложен в реализации и не требует больших материальных затрат.

Проведенные ЗАО "НК Уралтерминалмаш" расчетно-теоретические и экспериментальные работы подтверждают возможность получения при осуществлении изобретения вышеупомянутого технического эффекта, заключающегося в упрощении способа определения динамических сил, действующих на элементы конструкции стреловых гидроманипуляторов при резком изменении скорости движения стрелы с подвешенным на ней при помощи гибкого звена грузом, и повышении достоверности получаемой при его использовании информации.

Изобретение относится к стреловым гидроманипуляторам и может быть использовано при выполнении прочностных расчетов и оценке динамической устойчивости таких машин. Способ определения динамических сил, действующих на элементы конструкции стреловых гидроманипуляторов при резком изменении скорости движения стрелы с подвешенным на ней при помощи гибкого звена грузом, основан на использовании аналитических зависимостей, связывающих параметры элементов конструкции с уровнем определяемых нагрузок. В качестве параметров элементов конструкции используют предварительно определенные экспериментально фактические значения их массовых, геометрических, жесткостных и скоростных характеристик, а динамические силы определяют по соответствующим аналитическим зависимостям. Для определения динамических сил используют динамическую модель стрелового гидроманипулятора с двумя степенями свободы, в которой учитывают колебания груза на подвесе и колебания точки подвеса груза с приведенными к этой точке массой и жесткостью стрелы. Технический результат заключается в упрощении способа и повышении достоверности получаемой при его использовании информации. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения динамических сил, действующих на элементы конструкции стреловых гидроманипуляторов при резком изменении скорости движения стрелы с подвешенным на ней при помощи гибкого звена грузом, основанный на использовании аналитических зависимостей, связывающих параметры элементов конструкции с уровнем определяемых нагрузок, отличающийся тем, что в качестве параметров элементов конструкции используют предварительно определенные экспериментально фактические значения их массовых, геометрических, жесткостных и скоростных характеристик, а динамические силы определяют по следующим аналитическим зависимостям:

где F_г(t) - поперечная сила в зависимости от времени, Н;
V_гф - фактическое (измеренное) значение скорости груза в горизонтальной плоскости в момент его резкого торможения, м/с;
C_гф - фактическое значение горизонтальной жесткости конца стрелы гидроманипулятора, Н/м;
M₁, M₂ - приведенные к концу стрелы гидроманипулятора массы соответственно стрелы и груза, кг;
- безразмерный параметр;
g - ускорение земного тяготения, м/с²;
R - расстояние от центра масс груза до точки его подвеса, м;



где F_в(t) - величина максимального динамического усилия в зависимости от времени, Н;
V_вф - фактическое (измеренное) значение скорости груза в вертикальной плоскости, м/с;
C_вф - фактическая величина вертикальной жесткости конца стрелы, Н/м;
- приведенная масса, кг;
J - момент инерции стрелы относительно оси вращения, кг•м²;
l - расстояние от точки крепления груза до оси вращения, м. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении фактических значений жесткостных характеристик элементов конструкции стреловых гидромонипуляторов статически нагружают усилием известной величины конец стрелы и с помощью простейших механических мерительных инструментов фиксируют его перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом максимальная величина нагружающего усилия в вертикальном направлении должна превышать усилие от веса груза при определении жесткости в вертикальном и горизонтальном направлениях, а жесткость мест крепления груза определяют как частное от деления величины прикладываемого к концу стрелы усилия на соответствующее значение перемещения его под действием этого усилия. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве простейших механических мерительных инструментов используют линейку и отвес. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении фактических значений скоростей подъема, опускания и поворота груза при установившемся режиме его движения фиксируют время прохождения грузов мерного участка известной протяженности в линейном или угловом измерении при помощи простейших механических мерительных инструментов, а указанные скорости перемещения груза определяют как частное от деления величины пройденного грузом мерного участка на затраченное для его прохождение время. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве простейших механических мерительных инструментов используют линейку, отвес и секундомер. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения динамических сил используют динамическую модель стрелового гидроманипулятора с двумя степенями свободы, в которой учитывают колебания груза на подвесе и колебания точки подвеса груза с приведенными к этой точке массой и жестокостью стрелы.