CC BY
24
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.873
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯЖЕЛЫХ КОЗЛОВЫХ КРАНОВ
ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬЮ 400 т
© 2008 г. В.Ю. Сапьяное
Балаковский институт техники, технологии Balakovsk Institute of Technology
и управления Саратовского государственного and Management of Saratov State Technical
технического университета University
Изложены основные результаты исследований различных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов на оптимальность, даны рекомендации по выбору геометрических параметров поперечных сечений пролетных строений и стоек опор. Ключевые слова:металлические конструкции, козловые краны, пролеты, строения, стойки.
The main results of research of different metalwork of heavy gantry cranes with application of optimization were show. The recommendations of application of geometrical parameters of cross-sections of bridges and supports were represented.
Keywords: metallic designs, goatskin taps, stairwells, constructions, racks.
Применение тяжелых козловых кранов является одним из наиболее рациональных путей механизации в условиях крупноблочного строительства, получившего большое распространение при возведении таких объектов, как электростанции. Характер производимых данными машинами работ и возможные последствия их отказа требуют обеспечения целого ряда достаточно жестких требований, таких как точность позиционирования, прочность, динамическая жесткость, а стремление к снижению затрат на производство и эксплуатацию ведет к необходимости их весового совершенствования.
Оптимизация металлоконструкций, как правило, заключается в выборе наилучшей конфигурации геометрических параметров поперечных сечений элементов, при этом принято разбивать конструкцию на части и оптимизировать каждую из них в отрыве от остальных. Данный путь нельзя считать абсолютно верным, поскольку изменение жестко-стных и массовых характеристик одного элемента отражается на всей металлоконструкции, и высока вероятность получения неоптимальной металлоконструкции при некоторых оптимизированных таким образом элементах.
Вследствие сказанного ясно, что важной задачей, решение которой необходимо производить на стадии проектирования металлоконструкций, является выбор геометрических параметров поперечного сечения элемента при рассмотрении его во взаимодействии с остальными частями металлоконструкции.
Таким образом, при определении геометрических параметров поперечных сечений элементов необходимо в первую очередь иметь сведения о схеме металлоконструкции, а также достаточно адекватную стержневую конечноэлементную модель.
Существующие в настоящее время схемы металлоконструкций тяжелых козловых кранов можно условно разделить на 9 основных типов (рис. 1)
Схема №1
Схем а №2
Схем а №3
Схе м а №4
Схем а №5
Схема №6 ,
Схема №7
Схем а №8
Схема №9
Рис. 1. Схемы металлоконструкций тяжелых козловых кранов
Ясно, что от выбора схемы металлоконструкции во многом зависит и потенциальная металлоемкость, а это значит, что адекватное сравнение схем можно проводить только при использовании одного аппарата оптимизации. В данном случае предлагается применить аппарат модифицированного метода Хука - Дживса [1, 2].
Выбор целевой функции также является важным этапом процесса оптимизации, поскольку непосредственно влияет на результаты. В качестве целевой функции на начальном этапе предлагается использовать металлоемкость как наиболее значимую. При этом необходимо составить отдельную целевую функцию для каждой из схем, для чего предлагается ввести избыточную схему, содержащую в себе все элементы схем 1-9 (рис. 2) В качестве варьируемых параметров продольного и поперечного сечений предлагается выбрать следующие (рис. 3).
Lr.n
Рис. 2. Избыточная схема металлоконструкции тяжелого козлового крана
В
м.д1
тту;
м.д1
Z
IZ
Вм
Вм
п
т
т
L
к
L
l
м.д
8
м.ст
Рис. 3. Варьируемые параметры продольного и поперечного сечений элемента металлоконструкции
Целевая функция для каждого из элементов в об- речных ребер жесткости между двумя соседними
основными.
Для избыточной схемы целевая функция с учетом (1) примет вид:
щем виде при этом будет иметь вид:
тм =уГ(28м ст (Нм -28м п )+2Вм8м п +8м р (Вм д -В д1 )к+
м пу м.ст \ м м.п^ м м.п. м.р \ м.д м.д1 //
+Пмд(((Нм -28м.п.)Вм.д-Нм.дВм.д1)8м.д +28м.д1(Нм.д+Вм.д1)/м.д)+ +Пмд Пмд1 (Ьм 8м.д (Дм.д -Вм.д1 )+0,5(Нм -28м.п -Нм.д )Вм.д18м.д +
+8м.д1 (2Ьм -Нм +28м.п +Нм.д +Вм.д )1м.д ] , (1)
где у - плотность материала металлоконструкции;
8м.ст,8м.п,8м.р,8м.д,8м.д1 - толЩина стенки, пояса, продольного ребра жесткости, диафрагмы и полосы, вва- Х8кд +28кд1(Нкд +Вкд1)/к д)+икдикд1(йк8к дЯ д-Вкд1)+0,5(Нк-ренной внутрь диафрагмы соответственно; L - про- 4 ' ' 4 4 '
лет крана; Нм,Вм,Нм.д,Вм.д,Вм.д1 - высота моста, ширина моста, высота отверстия в диафрагме, расстояние между поясами в свету и ширина отверстия в диафрагме соответственно; Ьм - расстояние от пояса
M =у{2[(28мст (Ям -28мп )+25м 8МП +8мр (Вм.д -Bm^))L+
+Пмд (((Нм -28м.п)Вм.д -Нм.д Вм.д1)8м.д +28м.д1 (Нм.д +Вм.д1)1м.д )+ +Пмд Пмд1 (Ьм8м. д (Дм. д -Вм . д1 )+0,5(Нм-28м . п -Нм . д И д18м. д +
+8мд1 (2Ьм - Нм + 28м п +Нмд + Вмд) 1мд ]+4[(28к ст (Нк - 28к.п))+ +2ДА.П +8к.р(Вк.д -Bk^i))Lk +Пд (((Нк -28к.п. )Вк.д -Нк.д Вк.д1)х
-28к. п -Нк. д )Вк .д18к .д +8к.д1(2Ьк -Нк +28к. п +Нк .д +Вк. д )1к.д ]+
2[(28п,т(Нп -28п.п )+2Вп8п.п +8^, (В^ -В,^ -^х х(((Нп -28п.п )Вп.д -Нп.д Вп.д1)8п.д +28п.д1(Нп.д +Вп.д1)1п.д )+
до продольного ребра жесткости; 1Ыд - ширина поло- / я й \|П</„ ,,=. „ \„ х
мд +Пп.дПпд1(Ьп8п.д(Вп.д-Вп.д1)+0,5(Нп-28п.п-Нп.д)Вп.д18п.д +
сы, вваренной внутрь диафрагмы; пмд,пмд1 - число
основных диафрагм и число дополнительных попе- +8пд1(2Ьп Нп +28пп +Нпд +Вп.дХад]+2|_(28с.ст (Нс 28с.п))+
+2ВС8,П +5,р (В,д -В,д1))4 +«,д (((Яс -25,п )В,Д -Н,д Всд1)-
"28с.п-Нс.д)В,д18,д +8с.д1(2^с -Нс +2§с.п +Нс.д +Вс.д ^с.д ]+
+2[(28р,т (Hp -25р.п )+2Вр 5рл +8р.р (В„ -Вр.д1 +«р.д х
x(((Hp -25рЛ )вр.д -нр.д вр.д1)5р.д +28р.д1(нр.д +вр.д1)/р.д )+
+Пр.д Прд1 (Ьр 8р.д (Вр.д -Вр.д1)+0,5(нр -28р.п -Нр.д )Вр.д18р.д +8р.д1х
х(2Ьр -Нр +25рЛ +Нр.д +Вр.д )р.д ]+2[(25Гп.ст (Нш -28шл ))+2Вш8ш.п+
+8гп.р (Вгп.д -Вгп.д1 ))^гп +Пгп.д (((Нгп -28гп.п)Вгп.д -Нгп.дВгп.д1 )Х х8гп.д +28гп.д1 (Нгп.д +Вгп.д1 Хп.д)+П-п.дПи д1 (Ьгп8гп.д (Вгп.д -Вгп.д1 )+0,5(Нгп --28гп.п -Нгп.д )Вгп .д18ги.д +8гп.д1 (2Ьгп -Нгп +28гп.п +Нгп.д +Вгп.д )гп.д ]+ + 4[(28Вп.ст Нвп-28Вп.п)+2ВВп8Вп.п +8Вп.р (^д-Вп.д1)Кп +W
Х(((Нвп -28Вп.п )ВВп.д -НВп.д ВВп.д1 )8Вп.д +28Вп.д1 (НВп.д +ВЙП.д1 )Вп.д )+ +^Вп.д ^Вп.д1 (Ьвп 8Вп.д (ВВп.д -ВВп.д1 )+0,5(НВп 28Вп.п -НВп.д )ВВп.д18Вп.д +
+8вп.д1-(2Ьвп Н +28вп.п +Нвп.д +Ввп.д )/вп.д ]+4[(28бп.ст (Нбп -28бп.п ))+ +2Вбп8гп.п +8бп.р (Вбп.д -Вбп.д1 ))^5п +Пбп.д (((Нбп -28бп.п )Вбп.д -Нбп.д Вбп.д1 )Х х8бп.д +28бп.д1(Нбп.д +Вбп.д1)1бп.д )+Пбп.д Пш.д1 (Ьбп 8бп.д (Вб п.д -Вбп.д1)+0,5(Нбп --28бп.п -Нбп.д )Вбп.д18бп.д +8бп.д1(2Ьбп -Нбп +28бп.п +Нбп.д +Вбп.д )бп.д ]}
1.д/ Ьп.д1 Ьп.д Ьп.д1\ оп оп бп.п Ьп.д бп.д
Для каждой конкретной схемы металлоконструкции, таким образом, необходимо будет составить свою целевую функцию с учетом (2).
Применение указанной целевой функции позволит добиться оптимального проектирования металлоконструкции в целом, а не совершенствования только отдельных элементов, поскольку учитывает параметры всех элементов. Таким образом, исключается влияние, создаваемое чрезмерным облегчением одного из элементов.
При использовании данного подхода один из элементов (как правило, пролетное строение) внешне выглядит более мощным, чем, например, стойки опор, но масса металлоконструкции при этом снижается. Кроме того, данное явление наблюдается и в существующих металлоконструкциях. Так, пролетное строение крана КОСМгрузоподъемностью 1500 т имеет высоту поперечного сечения, примерно вдвое превышающую высоту поперечного сечения стоек опор.
Следующим важным этапом является составление расчетной схемы и анализ напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкции на каждом из последующих этапов оптимизации. Решению данной задачи посвящена работа [3].
Поступила в редакцию
Для оценки эффективности указанной методики можно сравнить по массе металлоконструкции ранее созданных кранов и результаты, полученные в ходе исследований. Так, масса металлоконструкции крана К-100/31, выполненного по схеме 6 и имеющего грузоподъемность 100 т, составляет 135 т, масса металлоконструкции, имеющей такие же главные параметры и выполненной по той же схеме, но с применением оптимизации составляет 104 т, т. е. на 23 % меньше, а масса крана с теми же параметрами, но выполненного по оптимальной в данном случае схеме 8, составляет 93,3 т, т. е. на 30 % меньше, чем у базовой машины. Стоит также учитывать, что металлоконструкция крана К-100/31 выполнена решетчатой, т. е. при изготовлении такого же крана, но с коробчатой металлоконструкцией и без применения оптимизации, результаты могут быть еще более существенными.
Одним из наиболее новых изготовленных к настоящему моменту козловых кранов является кран К2х190, установленный на Балаков-ской АЭС, при его проектировании активно использовались методы оптимального проектирования и методы численного анализа напряженно-деформированного состояния. Масса металлоконструкции данного крана составляет около 600 т, схема № 5. При использовании указанной методики масса металлоконструкции крана, выполненного с теми же параметрами и по той же схеме, равна 423 т, т. е. на 30 % меньше, чем у исходного крана, а при применении оптимальной в данном случае схемы 7 масса снизится до 360 т, что на 40 % меньше массы металлоконструкции базовой машины.
Литература
1. Кобзев А.П., Сапьянов В.Ю. Оптимальное проектирование металлоконструкции моста козлового крана грузоподъемностью 380 тс // Вестн. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Тула, 2005. С. 51-55.
2. Кобзев А.П., Сапьянов В.Ю. Выбор формы и оптимизация параметров мостов тяжелых козловых кранов // Совершенствование конструкций и методов расчета строительных и дорожных машин и технологий производства работ: Межвуз. науч. сб. Саратов, 2006. С. 12-18.
3. Сапьянов В.Ю. Выбор параметров расчетных схем тяжелых козловых кранов // Вестн. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. Тула, 2006. С. 80-87.
13 декабря 2007 г.
(2)
Сапьянов Виталий Юрьевич - аспирант кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета. Тел. 8-927-155-76-47. E-mail: [email protected]
