XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Исследование ветровых воздействий на инженерные сооружения задача многоплановая, требует рассмотрения различных аспектов научной деятельности: математического описания движения воздушных масс; описания основных характеристик ветра и их распределения на территории страны; решения прикладных задач воздействия ветра на различные сооружения и др. Поиск прикладных задач проходит, как правило, на стыке различных наук: математики, прикладной метеорологии и соответствующих инженерных дисциплин в том числе САПР и аналитические системы.

Обеспечение промышленной безопасности при выполнении технологических процессов является наиболее приоритетной целью каждого предприятия в Казахстане. В настоящее время в мире грузоподъемные машины и оборудование к ним являются самыми распространенными и самыми опасными техническими объектами на производственной площадке.

Анализ нормативных документов по ветровым нагрузкам, исследований в области воздействия ветра на сооружения, а также практического состояния дел по расчету и эксплуатации кранов, работающих в условиях ветра, позволяет применительно к специальным кранам сделать следующие выводы:

– существующие нормы расчета ветровых нагрузок носят общекрановый характер. Они не учитывают в необходимой степени надежность и свойства конкретных конструкций кранов, особенностей их эксплуатации и геометрических условий региона их установки;

– не имеется рекомендаций по безопасной эксплуатации кранов при различном характере действия ветра, а также по устройствам, снижающим неблагоприятные воздействия ветра на краны.

Изложенное позволяет говорить об актуальности, как в практическом, так и научном отношении исследований влияния ветровой нагрузки на работоспособность козловых кранов большой грузоподъемности, обеспечивающих теоретическую базу для разработки научно обоснованных рекомендаций по их проектированию, расчету и безопасной эксплуатации.

Основной характеристикой безопасности грузоподъёмной машины является обеспечение своевременного торможения и обеспечение неподвижного состояния металлоконструкции и подвижных деталей при экстренной необходимости. Поэтому при проектировании кранов большое внимание уделяется именно расчету и правильному выбору тормозных узлов машины.

Рисунок 1. Общий вид козлового крана

Г рузоподъемные краны на рельсовых путях, расположенные на открытом воздухе и не имеющие вокруг себя строительных конструкций, предотвращающих взаимодействие крана с окружающей средой, должны в обязательном порядке снабжаться противоугонными захватами [2].

Противоугонный захват (рисунок 2) – это технологическое оборудование, которое предназначено для предотвращения произвольного передвижения крана вдоль путей под действием сильного порыва ветра, превышающего тормозное усилие основных тормозов. Это своего рода клещевой механизм, который посредством прижимных губок, смонтированных на рычагах механизма, сжимается с рельсом создавая удерживающее усилие [4]:

(1)

где - ветровая нагрузка; – нагрузка от уклона крановых путей; – нагрузка от сил сопротивления передвижению вследствие трения ходовых узлов (подшипники, реборда колеса и т.д.); – нагрузка, создаваемая тормозами ходовых узлов крана.

Как показывает практика ветровая нагрузка (ВН) составляет 90-95 % от всей удерживающей силы, необходимой для предотвращения угона крана противоугонными захватами. А величина данного параметра варьируется в зависимости от метеорологических особенностей местности, а также конструкцией самой грузоподъемной машины. Например, конструкция грузоподъемного крана, изготовленная из листового материала, где основные элементы крана собраны в виде сварных узлов «коробчатого сечения», является самой распространенной и наиболее эффективной, но наличие сплошной наветренной площади создает эффект парусности, что при интенсивных ветровых порывах увеличивает ВН на кран. Поэтому главным критерием снижения воздействия ветра и сведения аэродинамических показателей до минимума при проектировании металлоконструкций крупногабаритных кранов, стало обоснование использования трубчатых профилей, получивших широкое распространение в крановой промышленности.

Целью данной работы является:

1 ) исследование теоретических расчетных данных ветрового воздействия на козловой контейнерный кран г/п 25 тн. (рисунок 3) согласно ГОСТ 1451-77;

 

Рисунок 3. Козловой контейнерный кран г/п 25 тн.

2) усовершенствование расчета, посредством аналитического моделирования ветровых воздействий на кран по законам аэродинамики в модуле «Fluid Flow (CFX)» системы конечно-элементарного (КЭ) анализа ANSYS.

3) Определить величину ВН и минимизировать погрешность между двумя видами расчетов.

В настоящее время для теоретического расчета ВН грузоподъемного крана придерживаются ГОСТ 1451-77 «Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и методы определения». Для расчета противоугонного оборудования рассматривают влияние только статической составляющей нагрузки нерабочего состояние крана и без учета груза. Динамическую составляющую ВН, которая характеризует интенсивность пульсаций ветра, принято включать в расчет только при расчете башенных кранов и специальных кранов на устойчивость от опрокидывания.

Статическую ветровую нагрузку , действующей на элемент конструкции согласно ГОСТ 1451-77 определяют по формуле:

(2)

где – распределенная ветровая нагрузка на единицу расчетной площади элемента конструкции; А – расчетная площадь элемента.

Распределенная ветровая нагрузка определяется для каждого элемента грузоподъемного крана в отдельности, коэффициенты усиливающие ее влияние определяются индивидуально относительно вида конструкции и высоты расположения, она определяется как:

(3)

где q – динамическое давление ветра, принимается в зависимости от скорости ветра в районе установки крана; k – коэффициент, учитывающий изменение динамического давления по высоте; с – аэродинамический коэффициент; n - коэффициент перегрузки

В данном случае динамическое давление рассматривается по ступенчатому закону распределения давления ветра по высоте, что характеризует резкое усиление действия ВН при увеличении высоты расположения рассматриваемого элемента [5]. Коэффициент аэродинамического сопротивления определяется для отдельного рассматриваемого элемента крана по типовым его элементам в зависимости от угла атаки ветрового потока.

При фундаментальной теоретической базе, которая подтверждается практическими данными, стандарт не учитывает множество фактов. Расчеты носят общекрановый характер и не включают в себя особенности эксплуатации грузоподъемной машины, геоморфологических условий района, особенности конструкций крановых элементов и т.д. Так же в работах [4], [5] описываются проблемы при расчете ветровых нагрузок специальных козловых и портовых кранов. Поднимается вопрос об учете углубленных методов определения динамической составляющей ВН, которые еще ведутся на данный момент. Включение в методику расчета компьютерной системы для аналитических расчетов задач аэродинамики помогло бы решить эти вопросы.

Для исследования ВН было произведено 2 вида расчета:

1. Расчет ВН согласно ГОСТ 1451-77 для козлового крана базируется на формулах (2, 3). Для расчетов использовалась техническая документация (паспорт, инструкция по эксплуатации и конструкторские чертежи крана). Методика заключается в определение амплитудных значений ВН с различной скоростью ветра для фундаментальной оценки погрешности в 2 расчетах. Наибольшее значение ветровых воздействий, влияющих на угон крана, оказывает поток ветра, вектор которого расположен под 90° к фронтальной части пролетной балки вдоль крановых путей, поэтому именно такие условия для расчета требует принимать нормативный документ. Так же в теоретических расчетах учтем влияние затенения элементов металлоконструкции. Данное явление не влияет на расчетную площадь элементов, а только усиливает влияние распределенной ветровой нагрузки за счет увеличение коэффициента аэродинамического сопротивления.

2. Расчет в модуле «Fluid Flow (CFX)» основывается на том, что поле ветрового потока является типичным турбулентным потоком и модель расчета определяется как стандартная модель турбулентности «k-epsilon» в теории аналитической гидродинамики CFD [7].

Для оптимизации скорости решения и сведению возникновения ошибок в процессе расчета к минимуму, исключим из расчетной модели крана галерею, грузовую телегу, щиты электрооборудования, ходовые тележки с приводами и спредер. Это упрощение конструкции целесообразно, так как наветренная площадь исключенных элементов составляет небольшое значение и на результат расчета не будет оказывать глобального влияния. Результаты двух расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты расчетов ВН

п.п.	Скорость ветра (м/с)	Ветровая нагрузка (кН)		Погрешность расчетов (%)
		Согласно расчетам по ГОСТ 1451-77	Расчет в модуле «Fluid Flow (CFX) ANSYS
1	21	174,117	185,988	6,38
2	24	196,300	211,684	7,27
3	27	214,101	221,110	3,17
4	30	240,906	249,032	3,26
5	33	270,641	281, 111	3,72
6	37	300,744	304, 542	1,25
7	40	341,744	342,014	0,08

А нализируя полученные результаты, можно уверенно считать аналитический расчет в модуле «Fluid Flow (CFX) системы ANSYS приемлемым для исследования предельных ветровых нагрузок и возможным использование этих данных в расчетах на устойчивость крана, а также в решении задач для проектирование противоугонных устройств. На графике (рисунок 4) можно видеть визуальную картину результатов. Кривые, которые характеризуют определенную методику расчета, максимально сближены друг другу. Это говорит об адекватности расчетной модели. В таблице 1 выделена строка, соответствующая условиям работы козлового крана (рисунок 3) в реальных условиях, для которых он проектировался. На рисунке 5 представлена эпюра распределения ветрового давления на конструкцию козлового крана, а также линии траектории ветрового потока, которые позволяют оценить показатели аэродинамичности конструкции.

Усовершенствование технических расчетов, оптимизация и упрощение симуляции работы различных механизмов для верной оценки их надежности и долговечности — это приоритетная область инженерных отраслей. Современные компьютерные системы помогают приблизить аналитически условия работы детали к реальным с наименьшим расхождением, что упрощает их в разы и тем самым сокращает время на проектирование. Поэтому современное развитие Казахстана в векторе роста промышленности подразумевает развитие не только промышленных баз, но и развитие подхода к решению инженерных задач в целом.

Список литературы

1. ГОСТ 1451-77. Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. – М. : Госстандарт. ПЕРЕИЗДАНИЕ. Июль 2003 г.

2. Александров М. П., Лысяков А. Г., Федосеев В. Н., Новожилов М. В. Тормозные устройства. Справочник. Под общ. ред. М. П. Александрова. - М.; Машиностроение, 1985.—312 с, ил.

3. Правила обеспечения промышленной безопасности при эксплуатации грузоподъемных механизмов. Утверждены приказом Министра по инвестициям и развитию Республики Казахстан от 30 декабря 2014 года, № 359, пункт 226.

4. Александров М. П., Колобов Л. Н., Лобов Н. А., Никольская Т. А., Полковников Н. А. Грузоподъемные машины: Учебник для вузов по специальности «Подъемно-транспортные машины и оборудование». – М.: Машиностроение, 1986 – 400 с., ил.

5. Иваненко О. И., Мирошников А. А. Учет действия ветровых нагрузок при расчетах и работе специальных козловых кранов. Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля. Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014

6. Подобед В. А. Математическое моделирование ветровых нагрузок на портовые портальные краны. Вестник мурманского государственного технического университета, том 9 (№2), 2016

7. Hui Jin, Da Chen. Structural Improvement Analysis of Working Rail Mounted Cranes under Wind Loads. Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM14), Busan, Korea, August 24-28, 2014

Код для цитирования: Скопировать