Сайт ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.

   Одной из самых трудоемких операций, выполняемых грузоподъемной машиной, является загрузка его грузонесущего органа заданным количеством материала. Для сыпучих материалов эта задача наилучшим образом решается применением грейферных механизмов, в которых процесс загрузки идет автоматически.

   Грейферные краны и погрузчики широко применяются при погрузочно-выгрузочных и штабелевочных работах в промышленности и на транспорте, а также для специальных технологических целей — проходки вертикальных стволов шахт, подъема взорванной породы из шурфов и т. д. В металлургической и машиностроительной промышленности грейферы применяются для подготовки и подачи шихты. В строительстве грейферы применяют на земляных работах.

   Во многих книгах и научных работах ввиду сложности процессов, протекающих при работе грейферных механизмов, принимается масса допущений, упрощений в вопросах, связанных с расчетом конструкции. Зависимости имеют эмпирический характер, крайне неточны, содержат множество коэффициентов, полученных опытным путем. Поэтому исследования в области обоснования рациональных параметров грейферов представляют собой научный и практический интерес. Изучая процессы, уточная зависимости, коэффициенты, можно получить существенный положительный эффект: уменьшение энергоемкости, материалоемкости, расходов на обслуживание.

Анализ исследований и публикаций.

   В связи с интенсификацией производства и высокой степенью механизации работ, на предприятиях и погрузочных площадках страны грейфере находят достойное применение. Большинство из них является сменным грузозахватным органом и используются на кранах различных типов, что повышает универсальность кранов. Такие широкие возможности по применению заставляют уделять немало внимания исследователями, стремящимися рационализировать имеющиеся образцы, искать новационные пути решения проблем. Большой вклад в решение вопросов и проблем по расчетам данного механизма внесли А. А. Вайнсон, Р. Л. Зенков, Б. А. Таубер, Ю. М. Ташников, Н. А. Шевченко, А. М. Ясиновский и др.

   Приятно отметить, что украинские ученые стали инициаторами разработки ГОСТ 24599-87 "Грейферы канатные для навалочных грузов. Общетехнические условия". Руководителем темы был А.М. Ясиновский.

Постановка задачи.

   Целью данной работы является обоснование параметров грейфера для повышения эффективности его использования. Проведя исследование по влиянию геометрических параметров канатного грейфера на усилие в замыкающем канате, можно судить о рациональных значениях этих параметров и дать конкретные рекомендации по определению параметров грейфера при проектировании и производстве.

Изложение материала и результаты.

   К основным процессам, проходящим во время работы грейфера относят: опускание открытого грейфера на материал, зачерпывание материала, подъем и перемещение груженого грейфера, открытие заполненного грейфера.

Рисунок 1 — Процесс работы канатного грейфера

Во время работы на конструкцию действуют статические и динамические нагрузки, определение которых весьма затруднительно. Практический интерес представляет собой влияние параметров грейфера на процесс работы, и энергоемкость как его характеристику. Определение зависимостей между параметрами и энергоемкостью позволит количественно оценить их влияние.

   За объект исследования выбран промышленный образец двухканатного штангового грейфера СЗ емкостью 1,5 м³. Грейфер предназначен для захвата и перегрузки сыпучих грузов. Общий вид представлен на Рис. 2.

На Рис. 3 изображена расчетная схема грейфера, использующаяся в данных исследованиях. На рисунке обозначены геометрические параметры: размеры, характерные углы, плечи сил.

Рисунок 2 — Общий вид грейфера

   Целью исследования является определение влияния на энергоемкость процесса зачерпывания материала геометрических параметров грейфера:

• p — длинна боковой кромки грейфера, м;
• r — расстояние между шарнирами челюсти, м;

Рисунок 3 — Расчетная схема

Изменение этих параметров будет приводить к изменению геометрии челюсти, как следствие, и к изменению плеч сил, действующих на челюсть, а также характерных углов. По конструктивным соображениям расстояние между шарнирами челюсти r не рекомендуется брать больше полуразмаха челюстей грейфера L, так как в противном случае задняя стенка челюсти начинает касаться кривой зачерпывания материала. Это приведет к тому, что режущая кромка будет выводиться из материала и грейфер будет заполняться неэффективно.

   Снижение текущего значения усилия в замыкающем канате уменьшает нагрузку на двигатель, а, следовательно, и энергоемкость процесса зачерпывания. Критерием оценки энергоемкости является площадь FS между кривой усилия в замыкающем канате и осями координат. Исследование влияния различных параметров грейфера на площадь FS позволит выявить пути снижения энергоемкости процесса зачерпывания за счет выбора рационального значения этих параметров.

   Текущее усилие в замыкающем канате S2 определялось по (1):

   При исследовании совместного влияния двух и более параметров грейфера на энергоемкость процесса зачерпывания аппроксимирующей функцией для приближенного описания FS = f(Z_i) является многочлен первой или второй степени.

   Условимся расчет усилия в замыкающем канате по выражению (1) при фиксированном значении остальных параметров грейфера в данной работе назовем опытом, а полученное при этом значение площади FS будем называть опытным, в отличие от найденного по аппроксимирующему многочлену (2), которое будем называть расчетным FS_p.

   Применена линейная аппроксимация. Аппроксимирующий многочлен будет иметь вид:

Коэффициенты аппроксимации (2) находятся по выражениям:

   Для решения поставленных целей и проведения опыта параметры грейфера r и p будем называть нормированными и обозначим их соответственно X1 и Х2. Исследуемая область изменения параметра разделена на К = 2 участков (шагов). Шаг изменения параметров приведен в Табл. 1. Следовательно, взамен действительной независимой величины Х вводится ее нормированное отклонение Z, а зависимость FS=f(X₁, X₂) заменяется выражением FS=f(Z₁, Z₂).

Таблица 1. Пределы изменения исследуемых параметров

Параметр	Обозначение	Ед. изм.	Предел изм.	Шаг
p	X1 (Z1)	м	1,035-1,435	0,2
r	X2 (Z2)	м	0,85-1,05	0,1

   Проводилась серия из 4 опытов. Значения текущего усилия в замыкающем канате рассчитывается при помощи программы, написанной в среде Mathcad 14.0. Полученные данные обработаны в среде Microsoft Excel. С помощью этого приложения построены графики текущих усилий в замыкающем канате в зависимости от величины раскрытия челюсти (Рис. 4) и посчитаны площади, ограниченные кривыми усилия и осями координат. При помощи выражений (3) - (5) были найдены коэффициенты аппроксимации и после вычислений получен аппроксимирующий многочлен:

   Значение вариации для полученных опытных данных менее 5%, поэтому можно сделать вывод, что линейная аппроксимация является удовлетворительной.

   В результате проведенного исследования выделены параметры грейферного механизма r и p, определена степень влияния их на энергоемкость процесса зачерпывания. Получена аппроксимирующая зависимость энергоемкости процесса зачерпывания от данных параметров:

Коэффициенты этой зависимости a1 больше нуля, a2 — меньше нуля. Практически это означает то, что для снижения энергоемкости параметр p следует уменьшать, а параметр r — увеличивать с учетом конструктивных соображений. По результатам проведенных исследований для обеспечения меньшей энергоемкости рекомендуется принять следующие значения параметров: r = 1,05 м, p = 1,035 м.

Рисунок 4 — График изменения усилия в замыкающем канате

   Список источников.

1. Таубер Б.А. Грейферные механизмы. — М.: Машиностроение, 1967.- 424 с.;
2. Таубер Б.А. Грейферные механизмы. — М.: МАШГИЗ, 1985. - 270 с.;
3. Михайлов И. В. Математическая модель движения грейфера. Вестник АГТУ. 2006. №1 (30);
4. Вайнсон А.А. Андреев А. Ф. Крановые грузозахватные устройства: Справочник. М.: Машиностроение, 1982 - 356 с.;
5. Зенков Р. Л. Методика расчета грейферов. — Тр. ВНИИПТмаша/ВНИИПТмаш, 1966, вып. 8 (72), с. 3 - 77.
6. Шевченко Н.А., Б.П. Румянцев. К вопросу теоретического исследования кинематики грейферного механизма. Автоматизация производственных процессов в машиностроении. Львов,1972, №16. – с.69-72;
7. Ясиновский А.М. Динамические нагрузки, воздействующие на канатный грейфер при эксплуатации//Морские порты.- М.: Рекламинформбюро ММФ. 1975. С. 99-101 (ОИИМФ);
8. Ясиновский А.М. К методике прочностного расчета элементов челюстей канатных грейферов//Сборник «Детали машин и подъемно-транспортные машины», вып.8. Киев, «Техніка», 1968. С. 101-110 (ОПИ).
9. Ясиновский А.М. Экспериментальное определение эксплуатационных нагрузок в элементах натурных канатных грейферов//Сборник «Детали машин и подъемно-транспортные машины», вып.7. Киев, «Техніка», 1968. С. 91-99 (ОПИ).
10. ГОСТ 24599-87 Грейферы канатные для навалочных грузов. Общие технические условия;