Увеличение грузоподъемности крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов «АСТ-4-А»

Объектом исследования является кран-манипулятор машины для сварки трубопроводов «АСТ-4-А» (рис. 1). На гусеничном шасси установлена электрическая станция, сварочное оборудование, сушильная камера и кран-манипулятор. Машина производится ЗАО «Дизель-Ремонт» (г. Брянск).

Рис.1. Машина для сварки трубопроводов «АСТ-4-А»

Кран-манипулятор с поворотной стрелой предназначен для подъема и перемещения палатки сварщика в зону сварки труб большого диаметра. Палатка сварщика накрывает стык и предотвращает вредное воздействие окружающей среды на сварной шов. На стреле манипулятора с помощью приварных скоб крепятся электрические кабели, соединяющие размещенные в кузове агрегата сварочные выпрямители и посты сварки, находящиеся в палатке. Металлоконструкция крана-манипулятора изготовлена из проката низколегированной стали 09Г2С (класс прочности 390 по ГОСТ 19281-89).

Цель исследования – разработка рекомендаций по увеличению номинальной грузоподъемности крана-манипулятора самоходной энергетической машины с 750 до 1500 кг. Это связано с внедрением новых палаток сварщика иностранного производства, имеющих удвоенную массу. Завод-изготовитель получил заказ на модернизацию ранее выпущенных машин «АСТ-4-А».

Приняты следующие условные обозначения элементов несущей конструкции крана-манипулятора: секция А – рукоять стрелы, на которой установлен грузоподъемный крюк; секция В – стрела; секция С – поворотная опора.

На первом этапе исследования разработана геометрическая твердотельная модель крана-манипулятора. Модель использована для построения топологии объекта при расчетах методом конечных элементов.

Методика расчета металлоконструкции крана-манипулятора повышенной грузоподъемности базируется на нормативном методе предельных состояний [1, 2].

Приняты следующие характерные периоды эксплуатации исследуемого крана-манипулятора:

• расчетный случай I – рабочее состояние оборудования при нормальной (номинальной) нагрузке и нормальных (номинальных) скоростях механизмов движения – штатный режим работы;

• расчетный случай II – рабочее состояние оборудования при максимальной рабочей и динамической нагрузке;

• расчетный случай III – нерабочее состояние оборудования при максимальной нагрузке – максимальные нагрузки нерабочего состояния.

Для каждого расчетного случая выделены типовые последовательности движений, совершаемые механизмами крана-манипулятора:

а) подъем и опускание груза при неподвижной машине для сварки трубопроводов и неработающем механизме поворота крана-манипулятора;

b) разгон (торможение) механизма поворота с грузом на крюке крана-манипулятора при неподвижной машине для сварки трубопроводов и неработающих остальных механизмах движения;

c) разгон (торможение) машины для сварки трубопроводов при неработающих механизмах крана-манипулятора.

Перечень эксплуатационных нагрузок для расчета крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов приведен в [2 – 4].

Несущая металлоконструкция крана-манипулятора рассчитана на прочность и жесткость методом конечных элементов. Расчет выполнен для следующих вариантов расположения секций А и В:

• секция А расположена горизонтально, секция В находится в положении наибольшего подъема (1 вариант);

• секция А находится в положении наибольшего опускания, секция В – в положении наибольшего подъема (2 вариант).

Для анализа результатов проведен дополнительный расчет конструкции при работе с первоначальным грузом 750 кг. В этом случае нагрузки заданы согласно комбинации IIa.

Несущая металлоконструкция крана-манипулятора является тонкостенной, поэтому для исследования ее напряженно-деформированного состояния использованы плоские конечные элементы, моделирующие поведение трехмерных пластин и оболочек. Размер конечного элемента равен 5 мм.

Конечноэлементные модели построены на основе геометрии, импортированной из пакета твердотельного моделирования. Исключены объекты, усложняющие модель, но существенно не влияющие на результаты расчета (технологические отверстия, недеформируемые элементы и т.д.). Созданные конечноэлементные модели проверены на правильность построения с помощью встроенных в МКЭ-пакет средств. Конечноэлементная сетка доработана в ручном режиме.

В результате расчета выявлены наиболее опасные зоны исходной металлоконструкции крана-манипулятора и наихудшие сочетания нагрузок при работе с грузом массой 1500 кг.

Напряжения в исходной металлоконструкции при повышении грузоподъемности с 750 до 1500 кг увеличиваются на 55…65%. Это объясняется тем, что при увеличении грузоподъемности растут только связанные с грузом нагрузки. В то же время собственный вес, инерционные и ветровые воздействия на металлоконструкцию не изменяются.

Наиболее опасным с точки зрения прочности является сочетание нагрузок IIa (II расчетный случай, последовательность движений a). Следует отметить, что возникающие в конструкции под действием сочетаний IIa, IIb и IIc напряжения отличаются мало (не более 5%). Напряжения для сочетания III ниже на 30…40% по сравнению с напряжениями для сочетания IIa.

Напряжения в секции А для второго варианта меньше на 40…60% по сравнению с напряжениями для первого варианта, в секциях В и С – больше на 20…30%.

К опасным зонам конструкции, в которых в первую очередь следует ожидать разрушения, относятся следующие:

• секция А: верхний и нижний пояса, область перехода верхнего пояса к накладке, обечайка и боковая стенка раскоса крепления гидроцилиндра;

• секция В: верхний и нижний пояса, боковина задней части, проушина крепления нижнего гидроцилиндра, проушина крепления гидроцилиндра;

• секция С: внутренняя труба ниже проушины крепления гидроцилиндра, стык внешней трубы и бокового ребра, угол кронштейна.

Для обеспечения прочности и жесткости металлоконструкции необходимо усилить секции А и В. Секция С способна выдержать возросшую нагрузку. Кроме того, следует усилить все проушины крепления шарниров.

Подобраны варианты усиления металлоконструкции крана-манипулятора (рис. 2). Подана заявка на патент на полезную модель усиленного крана-манипулятора. Напряжения в опасных зонах усиленных элементов при грузоподъемности 1500 кг не превышают напряжения в исходной конструкции при грузоподъемности 750 кг.

а) б)

Рис. 2. Схемы усиления металлоконструкции:

а – секция А; б – секция В

Секция А по верхнему и нижнему поясам, обечайке, накладке и боковой стенке раскоса крепления гидроцилиндра усиляется стальными элементами толщиной 5 мм. Пояса секции В от проушин опирания на секцию С до проушин крепления верхнего гидроцилиндра усиляются накладками толщиной 10 мм, в головной части – накладками толщиной 5 мм. Боковая стенка секции В и проушины крепления нижнего гидроцилиндра усиляются листовыми элементами толщиной 5 мм.

Напряжения в стреле крана-манипулятора усиленной конструкции показаны на рис. 3.

а) б)

Рис. 3. Эквивалентные напряжения (МПа) в стреле усиленной конструкции:

а – секция А; б – секция В

Перемещения крюка усиленного крана-манипулятора при подъеме номинального груза на 2% меньше по сравнению с исходной конструкцией. Напряжения, действующие в конструкции после усиления, сопоставимы с первоначальными. Поэтому существующие ребра жесткости позволят избежать локальной потери устойчивости элементов. Таким образом, предлагаемые схемы усиления обеспечивают требуемую жесткость конструкции.

Дополнительно проведены расчеты крюка и его подвески в нелинейной постановке. Учитывалась геометрическая нелинейность, обусловленная контактным взаимодействием деталей конструкции. Наибольшие напряжения в секции А крана-манипулятора в области опирания втулки составляют 90…110 МПа, во втулке – 150…170 МПа, в грузовом крюке – 160..180 МПа. Таким образом, прочность грузозахватного органа обеспечена.

По итогам научно-исследовательской работы можно сделать вывод, что несущая металлоконструкция крана-манипулятора после усиления способна выдержать нагрузки при увеличении грузоподъемности с 750 до 1500 кг.

Литература:

1. Соколов, С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин / С.А. Соколов. – СПб.: Политехника, 2005. – 423 с.

2. Лагерев, А.В. Модернизация крана-манипулятора самоходной энергетической машины АСТ-4-А / А.В. Лагерев, И.А. Лагерев, В.В. Говоров // Вестн. БГТУ. – 2010. – №4. – С. 59-66.

3. Лагерев, А.В. Нагруженность подъемно-транспортной техники / А.В. Лагерев. – Брянск: БГТУ, 2010. – 180 с.

4. EN 12999:2002. Cranes-Loader cranes. – Brusseles, 2002. – 96 p.