Безопасность эксплуатации опорно-поворотного устройства самоходного крана
Введение
Мобильные стреловые краны используются по всему миру для выполнения сложных и ответственных работ по перемещению грузов и других сложных технических задач. Благодаря своей мобильности, этот тип кранов может быстро переместиться в нужную точку для выполнения задач. В большинстве случаев, перед началом работы несущая платформа крана фиксируется, а потом начинаются работы по перемещению тяжелых материалов. Полезность и эффективность работы этого типа кранов может быть также существенно повышена, если их несущая платформа также будет участвовать в рабочих процессах перемещения грузов. Эта способность значительно расширяет рабочее пространство, сочетая базовое движение с вращением, подъемом и движением люфта крана. Конечно, в этом случае самоходные краны теряют некоторый запас устойчивости и показатели полезной нагрузки. Устойчивость еще больше ухудшается, когда груз, с которым работает кран, раскачивается.
Статистический анализ грузоподъемности стрелового крана позволяет получить базовые представления о влиянии веса на устойчивость. Устойчивость крана характеризуется максимальной полезной нагрузкой, которую он может нести по всему рабочему пространству. Кран считается устойчивым до тех пор, пока все контактные силы, приложенные к его колесной опоре, положительны.
Механизм поворота крана (рис. 1) чаще всего основывается на использовании опорно-поворотного устройства (ОПУ). На ОПУ приходятся основные нагрузки, возникающие в ходе работы машины. Благодаря уникальным свойствам поворотных кругов, таких как их относительно компактные габариты и конструкция, ОПУ находят применение во всевозможном оборудовании и технике: землеройные машины, всевозможные краны и различные строительные машины, в ветроэлектростанциях, гусеничных транспортных средствах и многих других устройствах.
Несущая способность поворотных подшипников обычно ограничивает максимальное значение внешних нагрузок для проектируемого устройства, и правильное ее определение является важной частью при проектировании или подборе необходимого устройства. ОПУ обычно подбираются по критериям возможности работы на предельной нагрузке. В виду этого становится понятным, что к качеству их сборки, надежности все элементов агрегата и качеству материалов предъявляются повышенные требования. Важным является и тот факт, что во многих устройствах повреждение, или разрушение ОПУ, может привести к катастрофическим последствиям. Кроме того, при выходе устройства из строя, нужно закладывать время и ресурсы необходимые на его замену новым.
Стабильность мобильного крана
Предполагается, что кран будет находиться в устойчивом состоянии, когда алгебраическая сумма фиксирующих его моментов будет больше суммы опрокидывающих его моментах.
Помимо устойчивости, критическим элементом крана является его опорно-поворотное устройство, которое выполняет роль поворотного узла для стрелы. Его грузоподъемность часто определяет грузоподъемность всего устройства. Поэтому неправильная эксплуатация крана может привести к повреждению ОПУ и привести к потере устойчивости стрелы.
Механизм поворота стрелы крана
Объектом рассмотрения является опорно-поворотное устройство, используемое в механизме поворота самоходного крана DST-5050. В случае выше указанного крана используется роликовое поворотное устройство роликового типа, диаметром 1400 мм (рис. 3). Характеристики нагрузки приводится на рис. 4.
Вычислительная модель
Для построения вычислительной модели было использовано программное обеспечение ADINA. Опорные кольца и рамы кузова и шасси были дискредитированы восьмиузловыми твердотельными элементами типа
3D-solid. Зубья наружного кольца, отверстия для болтов и мелкие конструктивные детали в модели ОПУ были опущены. Определены условия контакта между соответствующими поверхностями колец подшипника и поверхностями его крепления.
Построенная модель позволяет поворачивать шасси относительно кузова на произвольный угол (Ө) в диапазоне 360°. Нагрузка накладывалась на дополнительные жесткие стержни, соединенные с осями отверстий, на которые опирались шарниры добавочного рычага и серводвигателя.
Значения сил были рассчитаны с использованием соответствующего алгоритма, позволяющего имитировать внешнюю нагрузку. Сетка конечных элементов модели показана на Рис.5.
Анализ грузоподъемности поворотного механизма крана
Расчеты приводились с использованием разработанной численной модели локальных нагрузок, для девятнадцати положений кабины относительно платформы с шасси, с шагом в 10° в диапазоне до 180°, обусловленные симметрией платформы шасси и кузова. В случае несимметричных конструкций анализ следует проводить в диапазоне 360°.
Результат каждой локальной характеристики представляет собой отдельный цикл вычислений. Локальная грузоподъемность рассчитывалась для десяти значений нагрузки в диапазоне от нуля (нагрузка поворотного устройства с осевой силой Q) до бесконечности (нагрузка ОПУ только с опрокидывающим моментом M). Получены последовательные точки характеристики пеленга. Следует отметить, что нагрузка с «чистой» осевой силой, а также с «чистым» опрокидывающим моментом на практике не реализуется. Они вычисляются только для определения крайних точек характеристики пеленга.
Грузоподъемность в каждой точке характеристики вычисляется итерацией. Расчеты проводятся до тех пор, пока элементы качения не достигнут предельного значения в одном из рядов. Результаты расчетов представлены в графическом виде на рис. 6.
Каталожные характеристики ОПУ, полученные с использованием двух методов: «жесткие кольца» и «гибкие кольца», дополнительно показаны на рис. 6. Заметны отчетливые различия локальных мощностей по отношению к каталожным мощностям, а также локальных мощностей по отношению друг к другу. Окончательные результаты расчетов, то есть локальная грузоподъемность опорно-поворотного устройства для угла 50, отмечены строкой 3.
Исследование распределения внутренней нагрузки в ОПУ при различных положениях корпуса относительно ходовой части машины позволяет оценить качество работы опорного узла и выявить критические точки в конструкции ходовой части.
На рис. 7 показан график, показывающий нагрузку отдельных элементов качения по
окружности подшипника, с учетом положения шасси для крана грузоподъемностью 50 тонн при 3-метровом рычаге. На этом графике видно неравенство распределения внутренних нагрузок. В точках размещения опор и в точках введения нагрузки в кольцевую балку, т. е. «жесткие» точки нагрузки более чем на десяток процентов выше, чем между ними.
На рис. 8 показана максимальная нагрузка в зависимости от положения тел качения грузовой стрелы. Из представленных результатов видно, что наибольшая нагрузка
на поворотное кольцо приходится на угол положения кузова около 50°.
Выводы
Реальная несущая способность поворотных колец, установленных на машине со сложной формой несущих конструкций, определенно ниже, чем несущая способность, заявленная в каталоге. Различия в несущей способности для различных положений кузова также важны. Это связано с неравномерным распределением внутренней нагрузки в подшипнике.
Представленная расчетная модель самоходного крана позволяет определить влияние деформируемости несущих конструкций и неравномерности их распределения в поворотном устройстве.
Анализируемое поворотное устройство рассматриваемого самоходного крана представляет собой тяжело нагруженное ОПУ.
Для условий максимальной нагрузки на кран и выбранных положений кузова нагрузка на некоторые ролики принимает предельные значения. Даже 25% от каталожного запаса несущей способности (рис. 6) не компенсируют влияния деформации несущих конструкций.
Поэтому при проектировании конструкции несущих рам необходимо проводить углубленный анализ не только размеров опорно-поворотного устройства, но и расчеты жесткости несущих рам и винтовых соединений несущей платформы конкретной сборки.
Алан Вашко, Жилинский университет, Словакия
Опорно-поворотные устройства и опорно-поворотные подшипники от европейских производителей. Вы можете купить ОПУ у нас со склада в Москве или под заказ из Европы (срок поставки 4-6 недель). Наши специалисты оказывают помощь с подбором необходимой модели ОПУ.
