Кинетостатический анализ многосекционных стрел бетононасосов и бетонораздаточных кранов

Коптелов М.Г., Христофоров В.А, Кошкарёв Е.В. Московский государственный строительный университет (МГСУ).

В последние годы появилась отдельная группа машин, имеющих разное функциональное назначение, однако сходную конструктивную схему стрелового оборудования, управляемого гидроприводом; к ней можно отнести: автобетононасосы, распределительные стрелы (краны-бетонораздатчики) и автовышки. В этих машинах стрела имеет корневую секцию, смонтированную на поворотной турели, и 2-5 секций, шарнирно-соединённых друг с другом, что позволяет им поворачиваться на угол до 180° для раскладки стрелы в прямолинейное или ломаное положение при работе или для складывания в транспортное положение.

В процессе раскладывания или складывания стрелы в её секциях возникают нагрузки, которые постоянно меняются в зависимости от положения секций друг относительно друга, а также от применяемого способа раскладки стрелы. При этом возникают не только статические нагрузки, но и динамические, связанные с неустановившимися режимами работы. Учитывая множество секций в стреле, учёт этих нагрузок представляет значительную сложность.

Каждая секция несущей стрелы механизма содержит прямоугольную обечайку, элементы усиления жёсткости обечайки, элементы систем стрелы, а также элементы бетоновода на шарнире и на боковой части для автобетонасоса и бетонораздатчика. Обечайка - это основная конструктивная часть секции стрелы, которая изготовляется из листовой стали.

Значительная масса обычной коробчатой стрелы, которая имеет прямоугольное сечение, является её существенным недостатком, потому что она ограничивает максимально допустимую длину, и, как следствие, подстреловое пространство строительной машины. Основная нагрузка в вертикальной плоскости при раскладке стрелы механизма падает на верхний и нижний листы профиля сечения. Боковые листы конструкции сохраняют форму и работают аналогично: нижняя часть - на сжатие, верхняя часть - на растяжение, однако при этом, в отличие от кранов, они несут бетоноводы, наполненные бетонной смесью, провоцируя её нагружение в поперечном направлении, причём, нагруженные стороны чередуются при переходе от одной секции к другой. При повороте турели появляются дополнительные поперечные нагрузки, связанные с неустановившимися режимами работы и аналогично нижнему и верхним листам, боковые листы начинают работать на изгиб.

Определение нагрузок при проектировании многосекционных стрел связано прежде всего с установления линейных размеров элементов секций, определением положения центров крепления гидроцилиндров и их хода, определения масс отдельных секций стрелы, а также положения их центра тяжести. Кроме того, обязательным является знание размеров коробчатого сечения каждой секции стрелы и закона изменения его размеров по длине. Для выполнения этого этапа была собрана и проанализирована информация об имеющихся на данный момент моделях машин одного класса (с одинаковым количеством секций и методом складывания стрелы).

На базе этого информационного массива с использованием активных сил (весов отдельных секций с закреплёнными на них бетоноводами с учётом бетонной смеси, находящейся в них), действующих на секции стрелы и сил инерции при плоско-параллельном движении этих секций, можно произвести её кинетостатический расчет, то есть рассчитать реакции в шарнирах и уравновешивающую их силу (момент) последовательно на всех секциях при различных расчётных положениях. Инерционные нагрузки обуславливаются также изменением скорости течения смеси внутри бетоновода. Этот расчёт также позволяет найти усилия в гидроцилиндрах, необходимые для раскладывания-складывания многосекционной стрелы и выбрать их тип. При кинетостатическом расчете определение реакции в кинематических парах происходит путем статического расчёта, который основывается на результатах кинематического анализа системы, включая ускорения, необходимые для определения сил (моментов) инерции.

При динамическом расчёте необходимо применять принцип д'Аламбера, позволяющий свести решение задачи динамики к тривиальному статическому расчету. Согласно принципу д'Аламбера приведение системы, двигающейся с ускорением, в равновесное состояние обеспечивается приложением к этой системе условных инерционных сил. При этом неизвестные силы инерции определяются из обычных уравнений статики.