1.3 Цель и задачи

Целью данного проекта является, разработка динамической модели для совершенствования и оптимизации кранов с пространственными канатными подвесами груза. Её реализация на стадии проектировочного расчета, совершенствование создания и повышение эффективности модернизации кранов за счет целенаправленного формирования характеристик крановых подсистем и груза на гибком подвесе с введением в необходимых случаях корректирующих (демпфирующих) устройств, для оптимизации динамических свойств портального крана в целом.

Указанная цель и современное состояние вопроса динамического расчета, связанного с раскачиванием груза портальных кранов, определили следующие основные задачи дипломного проектирования:

1.Произвести определение эксплуатационных нагрузок портальных кранов.

2. Рассмотреть существующие схемы для оценки процессов, протекающих при раскачиваниях груза на пространственных канатных подвесах, и реализовать их для крана портального перегрузочного «Кировец» КПП-10-30.

3. Произвести анализ влияния колебаний на металлоконструкцию стрелы портального крана. Определить действующие нагрузки при расчётном нагружении и дополнительные нагрузки, вызванные от колебаний груза. Произвести анализ дополнительных нагрузок на эксплуатационные характеристики стрелы.

4. Провести анализ динамической устойчивости портального крана.

5. Возникновение аварийных ситуаций вызванных динамическими нагрузками, их последствия.

Защита от колебаний, портального крана, в настоящее время не нашла еще широкого применения при модернизации и проектировании из-за трудностей создания алгоритмов управления колебаниями сложных многомассовых систем, каковыми являются, большинство современных подъёмно-транспортных машин. По этой причине данный проект является актуальным.

2 Комплексная механизация портов

2.1 Комплексная механизация портов

Под комплексом портового оборудования надо понимать управляемую систему, объединяющую основное и вспомогательное оборудование (включая средства диспетчеризации и автоматизации), а также транспортные коммуникации, предназначенные для перемещения грузов [1].

Работа транспорта при портовых работах заключается в формировании и распределении грузопотоков для обеспечения максимально эффективного использования времени и рабочего пространства, связывая технологические операции различного оборудования в механизированный комплекс погрузочно-разгрузочных работ.

Наиболее распространёнными видами портового оборудования, средствами транспортировки грузов являются:

▬ портальные краны;

▬ железнодорожные вагоны;

▬ автотранспорт;

▬ погрузчики;

▬ контейнеры;

▬ вагоноопрокидыватели;

▬ конвейеры;

▬ газо-насосное компрессорное оборудование и другая гидравлическая портовая техника;

▬ сухогрузы;

▬ танкеры.

В комплекс портового оборудования также входит дополнительное обслуживающее оборудование и техника.

Вагоноопрокидыватели

Вагоноопрокидыватель — специальное сооружение для механизированной разгрузки вагонов с насыпными и навалочными грузами (рудой, углем, зерном) [2].

В зависимости от способа поворота и типа разгружаемых вагонов различают следующие типы вагоноопрокидывателей:

роторные — с поворотом вагона на 160…170° относительно продольной геометрической оси, проходящей через боковую стенку;

мостороторные — с поворотом вагона на 160…170° путем перекатывания ротора с вагоном по мосту и выгрузкой груза через боковую стенку;

боковые — с поворотом вагона на 160…170° относительно продольной оси, расположенной сбоку значительно выше уровня рельсового пути и продольной оси вагона, и высыпанием груза через боковую стенку;

башенные — с подъемом и поворотом вагона на 160° относительно продольной оси вагона с выгрузкой через боковую стенку;

торцовые — с поворотом вагона на 50.70° относительно поперечной оси, при котором высыпание груза происходит через откидную торцовую стенку вагона;

комбинированные — с поворотом крытого вагона в разных направлениях относительно продольной и поперечной осей вагона;

платформоопрокидыватели — с поворотом на 50…70° в боковом направлении.

Вагоноопрокидыватели По способу обслуживания разгрузочного фронта различают:на:

▬ передвижные;

▬ стационарные.

Вагоноопрокидыватели роторные ВРС (рис. 1).

Вагоноопрокидыватель разгружает вагон всего за 30 секунд, а его производительность достигает 10000 т/ч. Наилучшим решением для автоматизированной, быстрой разгрузки и опрокидыванием нескольких вагонов за раз является поворотный вагоноопрокидыватель. Также идеальным для выполнения разных задач его делает относительно небольшая стоимость и применение вместе с ним маневровых локомотивов для того чтобы разгружать вагоны.

Подъемно-поворотный вагоноопрокидыватель – есть хорошим решением для объектов, которым требуется фундамент на небольшой глубине и у которых бункеры для приема должны находиться на том же уровне что и железно дорожные пути.

В этом случае будут уменьшены расходы на строительство и будут уменьшены сроки выполнения работы. Вагоноопрокидыватель используют для средней и для низкой производительности. В наличии есть различные надстройки торцевого кольца – присутствует как закрытая надстройка,так и открытая.

Последовательность выполнения действий поворотно-подъемных и роторных вагоноопрокидывателей похожа. Вагон устанавливают на платформу, зажимами вагон удерживают на месте

Рисунок 1- Вагоноопрокидыватель роторный

а опрокидыватель поворачивает его максимально настолько, на сколько это позволяет техника, это примерно сто семьдесят градусов. Главным отличием между этими двумя видами вагоноопрокидывателей является то, что первый вид вагоноопрокидывателей образует дугу во время движения, а второй вид (роторный) выполняет осевое вращение. Во время работы вагоны должны быть отсоединены друг от друга и разгружаться по одному.

Вагоноопрокидыватель С-образный (он же роторный). С-образный роторный опрокидыватель еще называют “CR”. Это новая разработка для разгрузки сыпучих материалов. Роторные вагоноопрокидыватели используются во всем мире для оперативной разгрузки любых вагонов.

Особая конструкция вагоноопрокидывателя позволяет рычагу подающего механизма пройти вдоль опрокидывателя. Основными преимуществами этого вида вагоноопрокидывателей является: быстрая разгрузка а также небольшая потребляемая мощность машины, вместе с падающим механизмом достигается максимально возможная рабочая производительность.

Таблица 2.1 – технические характеристики роторного вагоноопрокидывателя.

Максимальная производительность (проектная), т/час	3350
Время разгрузки полувагона (прямой и обратный ход), с	63−75
Угол поворота ротора, град.	170−175
Число циклов в час	20−25
Средняя скорость вращения ротора, об/мин	1,35
Колея, мм	1520
Установленная мощность электродвигателей, кВт	147,5
Род тока	переменный
Напряжение, В	380
Габаритый вагоноопрокидывателя (длина×ширига×высота), мм	22800×9630×9040

Продолжение таблицы 2.1

Масса вагоноопрокидвыателя, кг	220000
Параметры разгружаемых полувагонов
Грузоподъемность, т	60, 69, 75, 93, 110, 134
Высота от головки рельса, мм	3274−4350
Ширина, мм	3130−3350
Длина оп осям автосцепок, мм	12920−20000

Передвижной мостороторный вагоноопрокидыватель (рис. 2). Базой которого служит мост, составленный из четырех или шести балок 1, опирающихся на тележки 4. На балках моста находится ротор 2 с рельсовой колеей, люлькой, привалочной стенкой, верхними зажимами и блочно-канатным приводом вращения. К передней и задней балкам шарнирно примыкают наклонные въезд 3 и съезд, предназначенные для закатывания и последующего выкатывания вагонов из ротора. Управление производится из кабины 5.

Рисунок 2 - Передвижной мостороторный вагоноопрокидыватель

В процессе выгрузки опрокидывание вагона достигается тем, что ротор перекатывается по направляющим балок моста из положения I в положение II на угол 1600 над приемной траншеей. Основной недостаток этого типа вагоноопрокидывателей — это большой расход металла и недостаточная надежность канатного привода, особенно при работе в зимних условиях. Общая масса 445 т, часовая производительность 25 вагонов.

Боковой подъемно-поворотный вагоноопрокидыватель (рис.3). Изготовляют стационарные и передвижные. Стационарный состоит из двух закрепленных на валу фигурных роторов 5, двух люлек 1, к которым на тягах подвешены платформы 2, электропривода механизма опрокидывания и четырех опорных колонн с подшипниками. На подшипники колонн опираются валы роторов, связанные между собой эластичной муфтой.

Рисунок 3 - Боковой подъемно-поворотный вагоноопрокидыватель

Люльки снабжены привальными стенками 3 и верхними прижимами 4. Подвеска платформы и связь люлек с роторами выполнены так же, как и в стационарном роторном вагоноопрокидывателе. Поворотная часть вагоноопрокидывателя частично уравновешена противовесами б.

Поворот роторов осуществляется от двух отдельных приводов мощностью по 100 кВт каждый. Пульт управления расположен в кабине 7.

Для выгрузки груза из полувагона роторы поворачивают на 170…175°, и груз выгружается на высоте 7 м над уровнем земли, что позволяет обойтись без глубоких приямков, устраиваемых при использовании роторных вагоноопрокидывателей для размещения приемных бункеров и конвейеров. Груз из вагона поступает в приемный бункер 8, откуда питателем 9 подается на конвейер 10. По сравнению с роторным боковой вагоноопрокидыватель имеет большую массу и стоимость изготовления в два раза выше, чем у роторного. Производительность — 20 вагонов в час.

Передвижной боковой вагоноопрокидыватель имеет такую же конструкцию, как и стационарный, но он установлен на специальную платформу, перемещающую его вдоль фронта разгрузки. Вагоны подаются в люльку вагоноопрокидывателя и убираются по специальным накатам.

Башенный вагоноопрокидыватель (рис.4). устанавливают на металлургических заводах на рудных дворах и служат для выгрузки руды и угля из четырех- и шестиосных полувагонов.

Башенный вагоноопрокидыватель состоит из передвижного самоходного или стационарного портала 3, внутри которого размешена люлька 4 с подвесной платформой 1, несущей рельсы для установки разгружаемого вагона. Люлька подвешена на двух цапфах к колоннам портала со стороны приемной траншеи.

Портал передвижного вагоноопрокидывателя опирается на восемь приводных балансирных тележек. К порталу примыкают с двух сторон наклонные пути для подачи вагонов в люльку и уборки их после выгрузки.

Рисунок 4 - Башенный вагоноопрокидыватель

Люлька с подвесной платформой оборудована стопорными устройствами 6 для закрепления вагона. В верхней части портала портала в кабине 7 размещена подъемная лебедка механизма опрокидывания, а также система канатов и противовесов. Концы канатов и лебедки закреплены на люльке.

При включении лебедки люлька поднимается канатами и поворачивается относительно цапфы. Как только люлька повернется на 10…15°, платформа 1 с установленным на ней груженым вагоном переместится в сторону привалочных брусьев 5, закрепленных на вертикальной стенке люльки. После этого автоматически включается привод вертикальных зажимов, а затем и привод подъема: люлька опрокидывается в сторону приемной траншеи 2, куда и высыпается содержимое вагона. После этого люлька возвращается в исходное положение, зажимы отключаются и вагон выталкивается из люльки. Противовесы понижают степень статической неуравновешенности люльки с груженым вагоном. Угол поворота люльки 160°, производительность 20 вагонов в час, общая мощность электродвигателей 530 кВт, масса 667 т.

Торцовый вагоноопрокидыватель (рис.5). Состоит из поворотной платформы 1, привода 2 с канатным полиспастом, расположенным в углублении 3. При разгрузке полувагон упирается в буферный брус 5.

Рисунок 5 - Торцовый вагоноопрокидыватель

Груз ссыпается в приемный бункер 4 через торцовую стенку. Применяются эти вагоноопрокидыватели для выгрузки груза из полувагонов западноевропейской колеи, у которых открываются торцовые стенки. По конструкции торцовые вагоноопрокидыватели просты, надежны в эксплуатации, но требуют значительной затраты энергии вследствие неуравновешенности платформы с вагоном относительно оси поворота. Производительность — до 20 вагонов в час.

Передвижной боковой платформоопрокидыватель (рис.6). Используют для разгрузки платформ на одну или обе стороны от железнодорожного пути. Платформа накатывается на опрокидыватель по наклонным рельсовым звеньям 1. Платформа с грузом закрепляется специальными упорами 2 на опрокидной платформе 3 опрокидывателя, которая наклоняется на 50°. Мощность установленных электродвигателей 125 кВт, производительность 10…12 платформ в час.

Рисунок 6 - Передвижной боковой платформоопрокидыватель

Для предохранения вагоноопрокидывателей и приёмных бункеров от атмосферных осадков, а также предотвращения распространения пыли, образующейся при разгрузке, над этими установками сооружают здания-укрытия (шатры). В шатрах монтируют мостовые краны для ведения монтажных работ при установке и ремонте вагоноопрокидывателей, спуска оборудования и запасных частей в приёмную яму. Совершенствование вагоноопрокидывателей ведётся в направлении повышения их пропускной способности, автоматизации процессов выгрузки и др.

Контейнеры [3].

Контейнер (рис.7) — стандартизированная многооборотная тара, предназначенная для перевозки грузов автомобильным, железнодорожным и морским транспортом и приспособленная для механизированной перегрузки с одного транспортного средства на другое. Может быть выполнен из различных материалов и иметь разнообразные формы. На транспорте наибольшее применение получили так называемые универсальные контейнеры.

В настоящее время более 90 % перевозок тарно-штучных грузов осуществляется в контейнерах.

Рисунок 7 - Контейнер

Ричстакер (погрузчик контейнерный) [4].

Ричстакер (рис.8) — погрузчик, предназначенный для работы с контейнерами. Представляет собой машину большого размера, способную управляться с грузами до 45 тонн. Ежегодно в портах мира производится

Рисунок 8 – Ричстакер (контейнерный погрузчик)

обработка грузов, объем которых эквивалентен 200 млн 20-футовых контейнеров.

Ричстакеры предназначены для обработки контейнеров малых и средних размеров. Они способны обрабатывать контейнеры и прицепы, а также производить погрузочно-разгрузочные работы в промышленных условиях.

Существует две разновидности контейнерных погрузчиков — для работы с гружёными и порожними контейнерами.

Ричстакеры участвуют в интермодальных операциях, так как способны обеспечивать доступ сразу к двум железнодорожным путям с одной стороны. Ричстакеры с длинной колесной базой могут также использоваться для погрузки контейнеров непосредственно на баржи.

Есть и модификации — мультистакеры, оснащенные спредерами специальных видов, расширяющими применение ричстакеров в грузовых терминалах. Главными характеристиками ричстакеров являются грузоподъёмность, число ярусов, в которые штабелируют контейнеры, рабочая масса, колёсная база.

Железнодорожный транспорт, работающий в портах[5].

Фитинговая платформа — специализированная платформа, предназначенная для перевозки крупнотоннажных контейнеров и оборудованная специализированными узлами для их крепления — фитинговыми упорами (этот упор входит в замок контейнера) [6].

Основные модели, эксплуатирующиеся на железных дорогах и портах:

▬ 40-футовые контейнеры на платформах, модель 13-3103-01, для перевозки одного 40-футового контейнера;

▬ модель 13-9004M, для перевозки автомобильной техники, а также универсальных крупнотоннажных контейнеров массой брутто 10, 20 и 30 т.;

▬ модели 13-4140, для перевозки различных грузов: литых слябов различной длины, температура которых при загрузке не превышает 100 °С, сортового проката и арматуры, листового проката, двух 20-футовых или одного 40-футового контейнера. Для такой универсальности платформа оборудована стационарными боковыми стенками, расположенными на консольных частях несущей рамы, боковыми опорными стойками, переставными торцевыми стенками, ограничивающими продольное смещение грузов различной длины и типовыми фитинговыми упорами для контейнеров, которые в нерабочем положении не препятствуют свободной укладке металлургических грузов.

Новые 80-футовые фитинговые платформы позволяют осуществлять перевозку двух стандартных 40-футовых контейнеров:

▬ модель 13-9781, выпускаемая с 2010 года на ЗАО «Промтрактор-Вагон» — Канашском вагоноремонтном заводе

▬ модель 13-2118, выпускаемая с 2005 года на ООО «Кемеровохиммаш» — Кемеровском филиале ОАО «Алтайвагон»

▬ модель 13-7024, производства КВЗ

▬ модель 13-3115-1, постройки БМЗ.

▬ перспективная модель 13-3124, постройки БМЗ, позволяет перевозить контейнеры друг на друге в два яруса, что позволяет увеличить количество перевозимых контейнеров по сравнению с платформами традиционной конструкции. [7]

Транспортёр.

Транспортёр (рис.9) — специальный грузовой вагон, предназначенный для перевозки крупногабаритных и тяжеловесных грузов (трансформаторы большой мощности, части гидравлических турбин, статоры и роторы генераторов, колонны, станины), которые по своим размерам и (или) массе не могут быть перевезены в других вагонах. [8]

Различают следующие типы транспортёров:

▬ площадочные;

▬ платформенные;

▬ колодцевые;

▬ сцепные;

▬ сочленённые.

Конструктивные особенности транспортёров. Площадочные транспортёры имеют главную несущую балку в форме изогнутого бруса, в нижней части которого расположена погрузочная площадка. Главная балка оборудована пятниками (обычно сферическими), опирающимися на вспомогательные (соединительные) балки или непосредственно на ходовые части транспортёра. Грузоподъёмность площадочных транспортёров от 55 до 220 тонн (в зависимости от числа осей, длины погрузочной площадки и её высоты от головки рельса).

Платформенные транспортёры отличаются от площадочных прямой формой главной балки (рамы).

Рисунок 9 - Транспортёр

Колодцевые транспортёры имеют главную несущую балку, которая в средней межтележечной части образует нишу («колодец») между двумя боковыми элементами. В нижней части «колодца» расположены передвижные балки для опирания груза. Транспортёры колодцевого типа имеют грузоподъёмность 60—120 тонн.

Сцепные транспортёры состоят из двух несущих платформ (секций) с турникетами для опирания и закрепления длинных тяжеловесных грузов и промежуточных платформ, служащих для увеличения длины и для связи секций транспортёров. Секции транспортёров соединены укороченными автосцепками без поглощающих аппаратов. Основные типы сцепных транспортёров — 12-осный вагой (грузоподъёмность 120 тонн), 16-осный транспортёр (240 тонн) и 32-осный транспортёр (480 тонн).

Сочленённые транспортёры состоят из двух секций, имеющих главные несущие элементы в виде консолей, которые через систему балок опираются на ходовые части. Груз располагают между двумя консолями обычно на вспомогательных несущих балках (иногда без них). В нижней части груз (или вспомогательные балки) соединяют с консолями при помощи проушин и валиков. Вверху груз (или балки) защемляется между упорами консолей под действием силы тяжести. Сочленённые транспортёры оборудованы системой гидравлических подъёмников для погрузки-разгрузки и поддержания консолей при разведении секций транспортёра. Используются 16-осные транспортёры (грузоподъёмность 220 тонн), 20-осные (300 тонн), 28-осные (400 и 500 тонн).

Для ходовой части транспортёра используют типовые двухосные тележки (специальные) или тележки с уменьшенной базой. Транспортёры оборудуются автосцепкой и типовым автоматическим тормозом.

Вагон бункерного типа.

Вагон бункерного типа (рис.10)— крытый грузовой вагон для перевозки грузов (сыпучих: мука, зерно, цемент, Негашёная известь, щебень, неагрессивных нефтепродуктов: вязкий нефтебитум и нефтяной кокс), снабженный бункером — ёмкостью для груза и бункерным устройством, позволяющим загружать и разгружать груз без ориентирования — «навалом». [9]

Бункерного типа. Собственно вагоны бункерного типа 4-осные, отличаются от хопперов наличием нескольких ёмкостей (бункеров), смонтированных на одной раме.

▬ для нефтебитума, модель 17-494, изготовлялись ДВЗ им. газеты «Правда» — 4 бункера, полезным объёмом по 11,6 м³; изготавливался с 1978 года; разгрузка производилась наклоном бункеров на 85°;

▬ для нефтебитума, модель 17-431, изготовлялись ДВЗ им. газеты «Правда» — 4 бункера, полезным объёмом по 10 м³; изготавливался с 1970 года; разгрузка производилась наклоном бункеров на 85°;

Рисунок 10 - Вагон бункерного типа для перевозки муки

▬ для нефтебитума (с облегчённой рамой), модель 17-Б862, изготовлялись ДВЗ им. газеты «Правда» — 4 бункера, полезным объемом по 10 м³; изготавливался с 1963 года; разгрузка производилась наклоном бункеров на 85°;

▬ для бестарной перевозки муки, модель 17-486, изготовлялись СВЗ — 4 бункера, полезным объёмом по 21,5 м³; разгрузка производится через нижние люки подачей повышенного давления в ёмкости;

▬ для бестарной перевозки муки, модель 17-4020, изготовлялись СВЗ — характеристики, как у модели 17-486;

▬ для гранулированных полимеров, модель 17-917, изготовлялись СВЗ — 4 бункера, полезным объемом по 20 м³; изготавливалась с 1982 года; разгрузка так же, как в модели 17-486;

▬ для гранулированных полимеров, модель 17-495, изготовлялись СВЗ — характеристики те же, что и у модели 17-917; изготавливалась с 1984 года;

Хопперы.

Хоппер (рис.11) — саморазгружающийся бункерный грузовой вагон для перевозки массовых сыпучих грузов: угля, руды, цемента, зерна, балласта. Кузов имеет форму воронки, в нижней части расположены люки, через которые груз высыпается при разгрузке под действием силы тяжести, что способствует быстрой разгрузке. [10]

Рисунок 11 – Хоппер для цемента

Существуют два основных типа хопперов — открытые и закрытые. Закрытые применяются для тех грузов, которые необходимо защищать от атмосферных осадков. Открытые используют для транспортировки грузов, которые можно легко высушить без вредных последствий. Также различают хопперы с разгрузкой груза в междурельсовое пространство или на сторону от железнодорожного пути, с механизированным или ручным открыванием разгрузочных люков. По конструкции хопперы выполняются с кузовом, имеющим торцевые стенки с наклоном 41—60°, для выгрузки груза самотёком и разгрузочные бункеры с люками, открывающимися при разгрузке.

Открытые хопперы используют для перевозки горячего агломерата и окатышей, угля, торфа, кокса. Обшивка кузова хоппера для горячих окатышей, агломерата и кокса в отличие от других типов вагонов не соединяется жёстко с несущим каркасом боковых и торцевых стен, что исключает коробление кузова под действием высоких температур и обеспечивает лёгкую замену при повреждениях. Открытые хопперы, как правило, имеют дистанционную автоматизированную систему разгрузки груза на обе стороны железнодорожного пути, управляемую с помощью сжатого воздуха, поступающего от силовой установки локомотива. Более широкое использование роторных вагоноопрокидывателей позволяет сократить использование открытых хопперов.

Закрытые хопперы применяют для перевозки зерна, цемента, технического углерода (сажи). Груз выгружается в междурельсовое пространство, крышки разгрузочных люков открываются вручную. Для перевозки минеральных удобрений применяют крытые хопперы с разгрузкой на сторону от железнодорожного пути с помощью сжатого воздуха.

Хопперы имеют типовые двухосные тележки, автосцепное и автотормозное оборудование. Механизм открывания крышек разгрузочных люков имеет пневматический или ручной привод.

Хоппер-дозатор. [10]

Отдельной разновидностью являются хоппер-дозаторы (рис12). Хоппер-дозатор — транспортное средство для перевозки, механизированной выгрузки, укладки в путь, дозирования и разравнивания балласта при строительстве, ремонте и текущем содержании железнодорожного пути. Первые хоппер-дозаторы созданы в СССР в начале 50-х годов. Кузов хоппер-дозатора цельнометаллический бункерного типа, имеет четыре разгрузочных устройства с крышками, а также дозирующее устройство. Рама дозирующего

Рисунок 12 – Хоппер-дозатор

устройства при разгрузке находится над поверхностью пути на высоте, равной толщине отсыпаемого балластного слоя. Управление дозирующим и разгрузочным устройствами осуществляется пневмосистемой. При движении хоппер-дозатора крышки открываются пневмоцилиндрами, балласт высыпается и разравнивается рамой дозатора слоем заданной толщины. В зависимости от принятой технологии путевых работ возможны различные варианты выгрузки балласта: на середину пути, в междупутье, на обочину или на всю ширину пути. Перемещение хоппер-дозатора осуществляется локомотивом. Сжатый воздух в пневмосистему подаётся компрессором, который расположен в локомотиве или специальном вагоне сопровождения. Для перевозки балластных материалов формируются составы из 20—25 вагонов (хоппер-дозаторные вертушки). Грузоподъёмность хоппер-дозатора 60 тонн, вместимость кузова 33,4 кубических метра, скорость движения при разгрузке 2—5 километра в час, собственная масса 23 тонны.