ПРИМЕР РАСЧЁТА МОСТОВОГО КРАНА В ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ ASNSYS WORKBENCH

EXAMPLE OF CALCULATION OF A BRIDGE CRANE IN THE ASNSYS WORKBENCH SOFTWARE PACKAGE

Roman Samokhodkin

Post-graduate student department Dynamics and Strength of Machines State National Research Polytechnic University of Perm,

Russia, Perm

Elena Kuznetsova

 Candidate of Science, assistant professor State National Research Polytechnic University of Perm,

Russia, Perm

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрена методика прочностного расчёта на примере двухблочного электрического мостового крана грузоподъёмностью 10т в программном пакете Ansys Workbench. В настоящее время происходит модернизация кранов подобного типа и внедрение новых технологий, поэтому актуальна проблема сочетания в процессе проектирования двух взаимоисключающих тенденций: экономии материала, с одной стороны, и обеспечение требуемых прочностных характеристик конструкций – с другой. Цель – указать особенности создания и расчета конечно-элементной модели металлоконструкции мостового крана с использованием модуля ANSYS WORKBENCH.

ABSTRACT

The paper considers the method of strength calculation on the example of a double-girder electric bridge crane with a lifting capacity of 10 tons in the software package Ansys Workbench. Currently, there is a modernization of cranes of this type and the introduction of new technologies, so the problem of combining two mutually exclusive trends in the design process is relevant: saving material, on the one hand, and ensuring the required strength characteristics of structures, on the other. The goal is to specify the features of creating and calculating a finite element model of the bridge crane metal structure using the ANSYS WORKBENCH module.

Ключевые слова: мостовой кран, расчет, 3D модель, Ansys, конечный элемент.

Keywords: bridge crane, calculation, 3D model, Ansys, finite element.

Мостовые краны являются одним из наиболее распространённых средств механизации, используемых в качестве грузоподъёмной машины на различных производствах и ремонтных участках, погрузочно-разгрузочных и складских работах. Перемещаясь вдоль цеха или склада по высокорасположенным подкрановым путям, они не занимают полезной площади помещения, обеспечивая перемещение груза в трёх взаимно перпендикулярных направлениях и обслуживание в практически любой точке пространства. Как правило, мостовой кран состоит из моста (одна или две пролетные балки), соединённого с концевыми балками, грузовой тележки с механизмом подъема груза, перемещающейся вдоль моста крана. Мостовые краны обычно имеют электрический привод, управление при этом производится с пульта, который располагается внизу цеха или в подвесной кабине.

Грузоподъёмные машины характеризуются следующими основными параметрами:

• грузоподъёмностью
• скоростями движения отдельных механизмов
• режимами работы
• пролётом
• вылетом
• высотой подъёма грузозахватного устройства.

Значения этих параметров должны соответствовать рекомендациям стандартов.

Для расчёта грузоподъёмных машин на прочность используют два метода:

• по допускаемым напряжениям
• по предельным состояниям.

Наибольшее распространение при расчёте элементов механизмов находит дифференциальный метод определения допускаемых напряжений, основанный на установлении коэффициента запаса прочности рассчитываемой детали в зависимости от степени её ответственности и режима работы механизма в конкретных условиях использования.

При выборе значений коэффициентов, входящих в суммарный коэффициент запаса прочности, учитывают необходимость обеспечения безопасности людей, сохранности груза и оборудования и целостности машин. Части машин, повреждения которых связаны с падением груза, опрокидыванием крана и другими факторами, рассчитывают с повышенным значением коэффициента запаса прочности.

Кроме того, при определении коэффициента запаса прочности учитывают специфику работы механизма грузоподъемной машины в условиях повторно-кратковременного режима с большим числом циклов в час. Изменение нагрузки и частота ее приложения приобретают особое значение при расчетах на сопротивление усталости.

При расчете элементов из пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, определяемый с учетом размеров детали, термообработки и характера нагружения;

Общие характеристики крана: в рамках технического задания заказчика выполнялись проектирование, прочностной расчёт и изготовление двубалочного электрического мостового крана грузоподъёмностью 10т. Исходными данными для проектирования являлись грузоподъемность, пролет и база мостового крана.

На начальном этапе производился обзор конструкций и анализ технических характеристик существующих мостовых кранов. По результатам информационного поиска подбирался аналог конструкции мостового крана с параметрами, наиболее соответствующими техническому заданию. (Табл. 1). Выбранные геометрические сечения главных и концевых балок представлены на рис. 1

Таблица 1.

Технические характеристики

Рисунок 1. Сечения главных (слева) и концевых (справа) балок

В настоящее время актуальна проблема сочетания в процессе проектирования двух взаимоисключающих тенденций: экономии материала, с одной стороны, и обеспечение требуемых прочностных характеристик конструкций – с другой [2]. Все это возможно обеспечить за счет использования современных компьютерных технологий. На основе 3D-модели (Рис.2) была построена расчётная модель с использованием трех- и четырехузловых пластинчатых, шести- и восьмиузловых объемных конечных элементов.

Рисунок 2. 3D модель крана

Материалы: характеристики, используемых в конструкции, материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Характеристики используемых в модели материалов

Основным параметром сопротивления материала конструкции силовым воздействиям является нормативное сопротивление, . Для стали за нормативное сопротивление принимается значения предела текучести  материала. 

Расчетные сопротивления проката, гнутых профилей и труб для различных видов напряженных состояний (растяжение, сжатие и изгиб), определяют по формуле,

где, - расчетное сопротивление материала растяжению, сжатию, изгибу, установленные по пределу текучести;

- коэффициент надежности по материалу, принимаемый в соответствии с таблицей 4 ГОСТ 32579.5-2013; .

Значения , принимаются по соответствующим нормативным документам на поставку проката.

Расчетное сопротивление, для стали 09Г2С, класса прочности 345,

- для стали 09Г2С: .

Условия закрепления: схематизация условий закрепления модели предполагает имитацию ограничений, налагаемых внешними и внутренними связями на положение упругой системы в целом и отдельных конструктивных элементов (Рис. 3). Наложение внешних связей определено ТЗ. При моделировании поведения несущей конструкции мостового крана, рассматривался вариант его передвижения по подкрановому рельсу. Для анализа, в качестве допущения, механизмы передвижения и механизмы торможения смоделированы жесткими вставками с геометрическими параметрами соответствующими данным элементам. Кинематические граничные условия, для приводных колес, задаются в виде запрета перемещений в глобальной системе координат, в узлах их опирания на рельс, по вертикальной и горизонтальным осям, ux = uy = uz = 0 . При этом механизм торможения реализован в виде запрета перемещений по горизонтальной оси вдоль подкранового пути ux = 0 . Кинематические граничные условия, для не приводных колес, задаются в виде запрета перемещений в глобальной системе координат, в узлах их опирания на рельс, по вертикальной и горизонтальной осям, uy = uz = 0 . При этом сохраняется возможность перемещения вдоль оси подкранового пути.

Рисунок 3. Схема установки опор в расчетной модели

Нагрузки: несущая конструкция мостового крана находится под действием систем, распределенных вертикальных и горизонтальных сил. Вертикальные силы создаются собственным весом конструкции, весом грузовой тележки, весом груза, а также инерционными нагрузками от вертикальных перемещений груза. Горизонтальные составляющие нагрузки, появляются при действии сил инерции, возникающих при горизонтальном перемещении крана и грузовой тележки. Схема наружения в расчетной модели представлена на рис. 4 и соответствует данным таблицы 3.

Таблица 3.

Входные данные

Рисунок 4. Схема нагружения в расчетной модели

Прогиб: оценка максимального прогиба пролетных балок крана осуществляется согласно требованиям п.7.2.7 ГОСТ 32579.1-2013 и п.2.8.6 Приложения 2 СТО 24.09-5821-01-93.  Определение прогибов и перемещений следует проводить от нормативных значений подвижных временных нагрузок в предположении упругих деформаций материала (без учета коэффициентов перегрузки и динамических нагрузок).

В п.7.2.7 ГОСТ 32579.1-2013 сказано, что при расчете конструкций грузоподъемных кранов по прогибам должно быть выполнено условие: 

,

где - прогиб от действия номинальных значений сил тяжести, создающих переменный прогиб, т.е. от сил тяжести груза и;

 - характерный размер, относительно которого нормируется прогиб;

 - допускаемое значение относительного прогиба, принимаемое по табл. 2.7 Приложения 2 СТО 24.09-5821-01-93, или в соответствии с приложением А ГОСТ 32579.5-2013.

Режим работы крана по ГОСТ 34017-2016 – А7. В соответствии с табл. 2.7 Приложения 2 СТО 24.09-5821-01-93 предельное значение относительного прогиба элементов конструкций составляет, . Предельное значение прогиба, при величине   соответствующей пролету крана (),

Сравниваем с полученным максимальным значением вертикального прогиба по расчету:  

Рисунок 5. Карта суммарных перемещений конструкции крана с грузовой тележкой в центре пролёта, мм

Условие выполняется. Следовательно, конструкция крана прошла проверку по данному критерию и соответствует требованиям

ГОСТ 32579.1-2013, ГОСТ 32579.5-2013 и СТО 24.09-5821-01-93 в части обеспечения жесткости конструкции.

Статический расчёт: выполнен статический расчет 2 вариантов кинематического положения грузовой тележки крана для разных расчетных случаев (комбинации загружений) согласно ГОСТ 32579.1-2013 табл. 5 по группе нагрузок А1, А3, С3 и С8. Получены карты напряжённого деформируемого состояния при соответствующих вариантах нагружений. Остановимся на наиболее неблагоприятной комбинации нагрузок для данного крана - это комбинация С3 (Рис. 6,7).

В данном расчёте моделируется мостовой кран на испытаниях (перегрузка 25%) действуют силы от передвижения крана. Схема наружения в расчётной модели представлена на рис. 4 и соответствует данным таблицы 4.

Таблица 4.

Входные данные для комбинации нагрузок С3

Рисунок 6. Карта распределения эквивалентных напряжений в металлоконструкции крана, Мпа

Рисунок 7. Карта распределения эквивалентных напряжений в металлоконструкции крана, МПа

НДС основной конструкции без учёта концентраторов напряжений в пределах нормы, так как допустимое напряжения 313 МПа больше, полученных 156,9 МПа. Согласно [2] рекомендуемым коэффициентом запаса для металлических конструкций крана является значение выше 1,6. Коэффициент запаса по расчётному сопротивлению  для данного крана составляет 1,99.

Таким образом, в работе проведён статический расчёт стальной конструкции крана. Анализ результатов статического расчёта показывает, что при заданных расчётных нагрузках, эквивалентные напряжения, возникающие в элементах конструкции, не превосходят предел текучести применяемых материалов кинематического положения грузовой тележки, т.е. необходимая прочность обеспечивается.

При анализе картин напряжённого состояния конструкции следует отметить:

1. Действие гравитационной нагрузки от поднимаемого груза, вызывает неоднородную деформацию металлоконструкции крана, и создаёт её асимметричное напряжённое состояние, в большей степени определяемое кинематическим положением грузовой тележки относительно продольной оси крана.

2. Напряжённое состояние характеризуется наличием концентрации эквивалентных напряжений, возникающих в локальных зонах отдельных элементов расчётной модели, которые располагаются в местах закрепления и стыков элементов модели или в окрестностях геометрических концентраторов напряжений, создающих особенности напряжённого состояния. Наличие высокого уровня напряжений в зонах концентрации обусловлено проблемами моделирования внутренних связей элементов конструкции. В реальных условиях напряжённое состояния в подобных зонах будет иметь более низкий уровень.

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что конструкция крана способна нести прикладываемые к ней нагрузки, соответствующие условиям эксплуатации, и не требует дополнительных мер по увеличению прочностных характеристик.

Список литературы:

1. СТО 24.09-5821-01-93. Краны грузоподъёмные промышленного назначения. Нормы и методы расчета элементов стальных конструкций.
2. Александров М. П. Тормоза подъемно-транспортных машин. Изд. 3-е доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1976. 386 с.
3. Александров М. П. Подъемно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1984. 336 с.
4. Гохберг М. М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1976. 454 с.
5. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. М.: Металлургия, 1981. 169 с.
6. Справочник по кранам. В 2-х т. / Под ред. А. И. Дукельского Л.: Машиностроение, 1971, т. 1. 399 е.; 1973, т. 2. 504 с.
7. ГОСТ 32579.5-2013 Краны грузоподъемные. Принципы формирования расчетных нагрузок и комбинаций нагрузок.
8. ГОСТ 34589-2019 Краны мостовые и козловые. Общие технические требования
9. ГОСТ 30546.1-98 Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости
10. ГОСТ 30631-99 Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам при эксплуатации.