Моделирование динамических нагрузок, воздействующих на мостовой кран в момент пуска

Введение. Динамические нагрузки во время запуска мостового крана могут вызывать избыточные напряжения в конструкции, приводя к потенциальным рискам и увеличению износа. Для снижения влияния динамических нагрузок можно применять различные стратегии, включая оптимизацию профилей ускорения и замедления, использование плавного пуска, внедрение систем амортизации. Важно обеспечивать исполнение правильных протоколов обслуживания и инспекции кранов. Путем снижения воздействия динамических нагрузок во время запуска можно улучшить общую производительность и долговечность мостового крана, повысив в конечном итоге безопасность и эффективность промышленных операций. Данное исследование предлагает новый подход к повышению эффективности и безопасности промышленных операций за счет более точного учета динамических нагрузок мостового крана при пуске. Цель работы — разработка математической модели для изучения механических свойств мостовых кранов путем анализа динамических нагрузок, возникающих во время подъемных операций.

Материалы и методы. Разработка математической модели была выполнена на основе кинетической модели системы, включающей три соединительных блока и два гибких соединения для более точного описания конструкции мостового крана.  Использованы уравнения Лагранжа, включающие информацию о геометрии и структуре мостового крана. Они позволили описать движение системы с несколькими элементами и несколькими степенями свободы. Обработка и анализ результатов математической модели были произведены в программе MATLAB с применением метода Рунге-Кутты.

Результаты исследования. В результате исследования была разработана математическая модель для изучения динамических нагрузок на мостовой кран во время подъемных операций.  Построены графики, описывающие зависимости скорости, ускорения, нагрузки и угла каната относительно времени и их влияние на балку крана. Проанализировано изменение этих параметров во времени, включая их максимальные значения. Определены причины изменений нагрузки и факторы, влияющие на увеличение срока службы и снижение металлоемкости при производстве подъемных машин.

Обсуждение и заключение. Разработанная математическая модель и ее численное решение с использованием специализированного программного обеспечения (программа MATLAB) позволяют проводить динамический анализ конструкций мостового крана и определять оптимальные конструктивные решения. Анализ факторов, влияющих на изменение нагрузки, позволяет сделать вывод, что при использовании данной модели можно значительно снизить величину нагрузок и металлоемкость, а также увеличить срок службы подъемных машин. Результаты, полученные при помощи разработанной математической модели, и ее численное решение полезны при оптимизации конструкции кранов, обеспечении соответствия операционных требований и продлении срока службы подъемных машин.

1. Fedjaeva GA, Kochevinov DV, Lozbinev VP, Lozbinev FYu. Dynamics Simulation of Bridge Crane Electromechanical System. Bryansk State University Herald. 2014;41(1):63–67.

2. Mirsad Čolić, Nedim Pervan, Muamer Delić, Adis J Muminovic, Senad Odzak. Mathematical Modelling of Bridge Crane Dynamics for the Time of Non-Stationary Regimes of Working Hoist Mechanism. Archive of Mechnical Engineering. 2022;69(2):189–202. http://doi.org/10.24425/ame.2022.140415

3. Hanjun Pu, Xiaopeng Xie, Guangchi Liang, Xiangyong Yun, Haining Pan. Analysis for Dynamic Characteristics in Load-Lifting System of the Crane. Procedia Engineering. 2011;16:586–593. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.08.1128

4. Goncharov KA, Denisov IA. Maintenance of Working Capacity of Movement Mechanism of Load Trolley with Linear Traction Electric Drive of Bridge Type Crane. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017;87(6):062004. https://doi.org/10.1088/1755-1315/87/6/062004

5. Jaafar HI, Mohamed Z, Shamsudin MA, Mohd Subha NA, Liyana Ramli, Abdullahi AM. Model Reference Command Shaping for Vibration Control of Multimode Flexible Systems with Application to a Double-Pendulum Overhead Crane. Mechanical Systems and Signal Processing. 2019;115:677–695. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.06.005

6. Dooroo Kim, William Singhose. Reduction of Double Pendulum Bridge Crane Oscillations. In: Proc. 8th International Conference on Motion and Vibration Control. Daejeon: Genicom Co., Ltd.; 2006. Р. 300–305.

7. Akhtulov AL, Kirasirov OM, Kirasirov MO. Features of Calculation of Steel Structures of Bridge Cranes at Variable Loads. MATEC Web of Conferences. 2019;298:00032. https://doi.org/10.1051/matecconf/201929800032

8. Antulov AL. Algorithm of Numerical Calculation of Reactions of Constraints in a Dynamic System of Transport Machine. Journal of Physics: Conference Series. 2018;944:012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/944/1/012002

9. Akhtulov AL Kirasirov MO, Kirasirov OM, Mashonsky VA. Building the Automation System for Designing Load-Lifting Cranes of Bridge Type. In: Proc. XVII International Research and Practice Conference “European Science and Technology”. Munich: Vela Verlag Waldkraiburg; 2017. Р. 29–35. URL: https://portal.kuzstu.ru/file/view/68427 (accessed: 08.12.2023).

10. Spitsyna DN, Polikarpov KV. Dynamics of Cranes with Rigid Load Suspension. Moscow: Bauman Moscow State Technical University; 2009. Р. 160. (In Russ.).

11. Yihai Fang, Yong K Cho, Jingdao Chen. Framework for Real-Time Proactive Safety Assistance for Mobile Crane Lifting Operations. Automation in Construction. 2016;72:367–379. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2016.08.025

12. Semykina IYu, Kipervasser MV, Gerasimuk AV. Study of Drive Currents for Lifting Bridge cranes of metallurgical enterprises for early diagnosis of load excess weight. Journal of Mining Institute. 2021;247:122–131. http://doi.org/10.31897/PMI.2021.1.13