Проектирование строительной техники на основе синтеза аналитических методов

Грачёв Д.В. Клашанов Ф.К. Московский государственный строительный университет.

Проектирование строительной техники на основе синтеза функционально-физического и стоимостного  анализов.

Общепринятой задачей проектирования считается разработка и создание нового изделия, которое более совершенно, чем существующие; или создание его модификации, обладающее улучшенными параметрами. За основу проектирования принимается тот принцип, что техника должна быть безопасной для окружающей среды и рабочего персонала. Это принципиальное условие при проектировании новой техники. Другое непреложное условие - это надёжное выполнение требуемых потребительских функций, которые и определяют данный вид средств механизации строительства.

Подробный анализ различных конструкторских решений выявил, что их эффективность можно повысить в значительной степени, если применять к задаче проектирования комплексный системный подход, т.е. объединить функционально-физические и функционально-стоимостные методы при проектировании новой техники. Этот метод применим как при создании средств механизации в целом, так и при проектировании его узлов, агрегатов или элементов. Предлагается его апробация на примере проектирования механизма подъёма стрелового самоходного крана. Под системой условимся понимать совокупность функционально-взаимосвязанных механизмов, элементов деталей. Причём предполагается, что они предназначены для реализации или обеспечения всей совокупности операций, работ или услуг, определённых на уровне решения стандартных или однотипных задач строительной технологии.

В качестве такой системы взят стреловой самоходный кран грузоподъёмностью 35 тонн на базе автомобильного шасси КАМАЗ. Элементом этой системы является рабочее оборудование - в данном случае механизм подъёма стрелового самоходного крана, который в большей степени оказывает влияние на технико-экономические показатели крана в целом. Так, например, если усталостное разрушение металлоконструкций составляет 25-30% всех поломок, то основная часть из них (около 70%) приходится на рабочее оборудование. Поэтому особенно актуальной является разработка методики определения оптимальных параметров рабочего оборудования крана, которая позволила бы выявить вероятные возможности уменьшения металлоёмкости рабочего оборудования, уменьшить его габаритные показатели за счёт более рациональной конструкции (планетарный редуктор размещается внутри барабана), а также увеличить усталостную долговечность. Основными задачами являются снижение энергоёмкости рабочих процессов, повышение долговечности и надёжности рабочих органов, снижение их удельной материалоёмкости, уменьшение вредных вибраций и шумовых воздействий, а также разработка методики определения оптимальных параметров рабочего оборудования крана.

Определение оптимальных параметров рабочего оборудования крана базируется на применении системного подхода к вопросам проектирования. Суть его заключается в следующем: проектируемое оборудование описывается множеством физических функций, которые следуют из функционального назначения проектируемого объекта. Это множество функций классифицируется на главные, второстепенные, полезные, нейтральные и вредные. Затем, используя методику функционально-стоимостного анализа, проводится стоимостная оценка функции, при этом используются морфологические карты, в которых отражён накопленный опыт проектирования, в том числе и решения таких задач как: компоновка механизма подъёма с планетарным редуктором, увеличение ряда передаточных чисел за счёт применения планетарного редуктора, что приводит к увеличению области применения оборудования, использование передовых технологий, применение компьютерных программ расчёта на всех стадиях проектирования.

Необходимым условием достоверности расчёта рабочего оборудования является рассмотрение большого числа вариантов расчётных случаев, что возможно лишь с использованием компьютерных технологий. Компактность планетарных передач, а также соосных передач с несколькими промежуточными колёсами обеспечивается благодаря распределению нагрузки на несколько сателлитов и рациональному использованию внутреннего зацепления.
Рациональные конструкции современных планетарных передач при одинаковой точности изготовления зацепления имеют большую нагрузочную способность, чем обычные передачи также вследствие более равномерного распределения нагрузки по длине зуба.

В планетарной передаче при правильном конструировании внутренние силы уравновешены; в ней зачастую не требуются радиальные опоры, стенки корпуса могут быть достаточно тонкими. В связи с этим имеются большие возможности выполнения корпусных деталей из пластмасс и лёгких сплавов.
Благодаря применению планетарных передач механизмы, используемые в строительной технике и оборудовании, получают новые компоновочные возможности. При этом можно более рационально размещать механизмы на машине, существенно сокращать габаритные размеры базовых частей машины, улучшать условия обслуживания механизмов, создавать более рациональные внешние формы машин и т.п. В этом отношении наиболее эффективна компоновка, предусматривающая совмещение функций узлов и деталей механизмов. Сюда относится и встраивание планетарных передач в барабаны.

Выбор геометрических параметров элементов и рациональной топологии рабочего оборудования является одной из важнейших задач при проектировании новых образцов техники. Структура механизма рабочего оборудования гидравлического крана позволяет построить простой алгоритм определения расчётных нагрузок.
На корректность расчётов огромное влияние оказывает точность определения нагрузок и исследование режимов нагружения крана. Существует множество работ, посвященных исследованию нагруженности рабочего оборудования крана.

Можно сделать следующие выводы:
1. Рабочее оборудование строительных подъёмных кранов и механизмов в высокой степени подвержено выходу из строя.
2. В рабочем оборудовании возможно неравномерное распределение нагрузок.
3. Определение параметров рабочего оборудования, как статически неопределимой системы, должен вестись с учётом динамической составляющей нагрузок.

На основании сделанных выводов формулируются основные направления дальнейшего исследования рабочего оборудования металлоконструкций крана:
1. Систематизация режимов нагружения и исследование прочностных характеристик рабочего оборудования крана.
2. Разработка математической модели оптимальности технико-экономических параметров рабочего оборудования крана.
3. Разработка методики определения оптимальных технико-экономических параметров рабочего оборудования с помощью компьютерных программ.