Методы оптимального проектирования козловых кранов высокого класса ответственности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат наук Кобзев, Роман Анатольевич
Кобзев, Роман Анатольевич
кандидат наук
2014
- Специальность ВАК РФ05.05.04
- Количество страниц 512
Оглавление диссертации кандидат наук Кобзев, Роман Анатольевич
Введение.................................................................................... 5
1. Состояние проблемы и обоснование задач исследования..................... 13
1.1. Обоснование актуальности исследования и общая постановка задачи....................................................................................... 13
1.2. Определение объекта исследования...................................... 17
1.3. Обзор методов оптимального проектирования и выбор методов исследования.............................................................................. 27
1 АВыводы по главе.............................................................. 41
2. Безопасность эксплуатации козловых кранов высокого класса ответственности..................................................................................... 43
2.1. Общие принципы оценки безопасности эксплуатации грузоподъемных машин........................................................................ 43
2.2. Требования к проведению процедуры анализа риска отказа....... 54
2.3. Обоснование значения «приемлемого риска» при эксплуатации различных типов козловых кранов высокого класса ответственности........ 58
2.4. Анализ методов анализа риска и выбор метода, наиболее соответствующего задаче оценки безопасности эксплуатации козловых кранов высокого класса при их проектировании........".................................. 66
2.5.Качественный анализ риска отказа грузоподъемных машин методом построения и анализа дерева отказов........................................ 84
2.6. Количественный анализ риска отказа грузоподъемных машин методом построения и анализа дерева отказов..................................... 93
2.7.Построение математической модели зависимости интенсивности отказа элемента от фактической группы классификации режима работы механизма, продолжительности срока службы и величины запаса прочности, закладываемого при проектировании........................................... 100
2.12. Выводы по главе............................................................ 118
3. Оптимальное проектирование механизмов подъема козловых кранов высокого класса ответственности................................................... 119
3.1. Постановка задачи оптимального проектирования механизма подъема.................................................................................... 119
3.2. Анализ структурных схем механизмов подъема груза козловых кранов высокого класса ответственности........................................... 122
3.3. Анализ основных технико-экономических показателей оптимальности конструкции механизма подъема и выбор критерия качества.......................................................................................... 137
3.4. Построение математической модели механизма подъема и разработка ограничений..................................................................... 154
3.5. Алгоритм поиска оптимального решения.............................. 181
3.6. Выводы по главе............................................................. 221
4. Оптимальное проектирование механизмов передвижения козловых кранов высокого класса ответственности и их грузовых тележек.................. 222
4.1. Постановка задачи оптимального проектирования механизмов передвижения крана и грузовых тележек........................................... 222
4.2. Анализ конструкций механизмов передвижения козловых кранов и их грузовых тележек.............................................................. 224
4.3. Анализ основных технико-экономических показателей оптимальности конструкции механизма передвижения и выбор критерия качества.......................................................................................... 235
4.4. Построение математической модели механизма передвижения и разработка ограничений................................................................. 238
4.5. Алгоритм поиска оптимального решения.............................. 261
4.6. Выводы по главе............................................................. 289
5. Оптимальное проектирование несущих металлических конструкций козловых кранов высокого класса ответственности............................... 292
5.1. Постановка задачи оптимального проектирования несущих металлических конструкций козловых кранов........................................... 292
5.2. Анализ структурных схем и поперечных сечений металлических конструкций козловых кранов и поперечных сечений их элементов........................................................................................... 295
5.3. Анализ основных технико-экономических показателей оптимальности металлических конструкций и выбор критерия качества.......................................................................................... 303
5.4. Построение математической модели металлоконструкции и разработка ограничений..................................................................... 306
5.5. Алгоритм поиска оптимального решения.............................. 319
3.6. Выводы по главе............................................................. 341
Заключение................................................................................. 342
Список литературы....................................................................... 345
Том 2
Приложение 1. Значения «приемлемого риска» опасных событий, связанных с эксплуатацией козловых кранов высокого класса ответственности, в зависимости от класса ответственности объекта, на котором установлен
кран........................................................................................ 3
Приложение 2. Данные по интенсивностям отказов типовых конструктивных элементов грузоподъемных машин............................................. 38
Приложение 3. Количественный анализа риска опасного события «падение ротора гидротурбины в зоне действующего оборудования Саратовской ГЭС при его переносе двумя козловыми кранами К2х180/50+10» и определение на основании обеспечения «приемлемого риска» данного события необходимых коэффициентов запаса прочности наиболее ответственных элементов крана.............................................................. 42
Приложение 4. Составление выражений для определения габаритных размеров механизма подъема А и Б для всех вариантов компоновки механизма........................................................................................ 70
Приложение 5. Оптимальное проектирование механизма подъема крана
КМ 15 для обслуживания машинного зала АЭС.................................... 101
Приложение 6. Оптимальное проектирование механизма передвижения
крана КМ15 для обслуживания машинного зала АЭС............................ 106
Приложение 7. Оптимальное проектирование металлоконструкции козлового крана К2х100 для строительства атомных электростанций............... 111
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», 05.05.04 шифр ВАК
Развитие теории оптимального проектирования механизмов грузоподъемных кранов пролетного типа2009 год, доктор технических наук Чернова, Наталья Михайловна
Выбор и обоснование основных параметров механизмов передвижения мостовых кранов2015 год, кандидат наук Абдулаева Ольга Владимировна
Улучшение условий труда крановщиков козловых кранов за счет снижения вибрации на рабочем месте2017 год, кандидат наук Кобзев, Кирилл Олегович
ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЗАЩИТЫ ПРИВОДА ОТ ПЕРЕГРУЗОК\nС ПОМОЩЬЮ АДАПТИВНОЙ ФРИКЦИОННОЙ МУФТЫ\n2015 год, кандидат наук Кобзев Кирилл Олегович
Разработка системы автоматизации проектирования мостового крана с учетом динамических характеристик2009 год, кандидат технических наук Комерзан, Евгений Владиславович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы оптимального проектирования козловых кранов высокого класса ответственности»
Введение
Актуальность темы. Козловые краны являются одним из основных средств механизации подъемно-транспортных, строительно-монтажных, погрузочно-разгрузочных и складских работ во всем мире. Краны этого типа наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к современным грузоподъемным машинам, среди которых высокая грузоподъемность, большие значения высоты подъема груза, обслуживаемой зоны, высокая производительность, возможность точного позиционирования груза, высокие показатели надежности, особенно с точки зрения грузовой и собственной устойчивости.
Особое место среди козловых кранов занимают краны высокого класса ответственности (ВКО), согласно ГОСТ 28609-90 «Краны грузоподъемные. Общие положения расчета» [1] к первому наиболее высокому классу ответственности относятся механизмы подъема и металлические конструкции кранов металлургического производства, атомных объектов, а также кранов, обслуживающих особо ответственный технологический процесс при отсутствии резервирования. Следует отметить, что данное определение допускает достаточно широкую свободу трактовок и не позволяет однозначно идентифицировать краны высокого класса ответственности, в связи с чем возникает необходимость в новых, более четких критериях идентификации.
При проектировании козловых кранов ВКО особое внимание следует уделять вопросам обеспечения необходимого уровня безопасности эксплуатации, что оказывает существенное влияние на подход к их проектированию. В большинстве случаев конструкции козловых кранов ВКО далеки от оптимальных, прежде всего, по металлоемкости, что, в свою очередь, влечет за собой повышенное энергопотребление крана при его эксплуатации. Такая ситуация связана во многом с тем, что действующие нормативные акты не содержат четких рекомендаций относительно необходимой величины коэффициентов запаса прочности для элементов кранов ВКО [2, 3]. Вообще в нормативных документах для деталей, отказ которых приводит к разрыву кинематической цепи механизма подъема, для кранов, транс-
портирующих грузы температурой выше 300°С, расплавленный металл, шлак, ядовитые, взрывчатые и другие опасные грузы, для элементов механизмов часто регламентируется повышенное значение коэффициента пь при расчете по допускаемым напряжениям учитывающего степень ответственности; в остальных случаях степень ответственности просто не учитывается [4-28]. В целом, данный подход, во-первых, не учитывает того, что перечисленные краны могут значительно отличаться по величине последствий при аварии; во-вторых, помимо элементов, отказы которых непосредственно приводят к разрыву кинематической цепи механизма, необходимо также учитывать элементы, отказы которых способны приводить к разрыву кинематической цепи при определенных условиях, например, в сочетании с отказом какого-либо другого элемента. В-третьих, отказы механизмов передвижения также способны привести к возникновению аварийной ситуации. При расчете металлоконструкций, как правило, вводится коэффициент условий работы, который при расчете по предельным состояниям учитывает степень ответственности отдельных элементов металлоконструкции [29, 30]. При этом степень ответственности проектируемого крана либо не учитывается, либо для группы перечисленных ранее кранов рекомендуется принимать наибольшие значения коэффициента перегрузки К(}, назначаемого в зависимости от группы классификации режима работы. Таким образом, для кранов, изначально эксплуатирующихся в тяжелом режиме, фактически никакого увеличения запаса прочности в этом случае не происходит. Также необходимо отметить, что большинство нормативных документов в области проектирования грузоподъемных машин было написано достаточно давно и в настоящий момент или утратило силу, или нуждается в актуализации и носит рекомендательный характер.
В условиях сложившейся неопределенности конструктор при назначении запасов прочности элементов механизмов и металлоконструкций козловых кранов ВКО вынужден принимать решения на основании собственного опыта или опираться па созданные ранее подобные конструкции, что и приводит к появлению заведомо тяжелых и громоздких конструкций. Исходя из этого существует потреб-
ность в разработке методов оптимального проектирования козловых кранов высокого класса ответственности.
В целом теория оптимального проектирования грузоподъемных машин достаточно глубоко разработана рядом отечественных и зарубежных ученых, среди которых особое место занимают Д.И. Батищев, В. И. Брауде, М. М. Гохберг, В. Н. Демокритов, А. П. Кобзев, А. А. Короткий, Е. М. Кудрявцев, А. С. Липатов, В. Л. Лифшиц, И. А. Невзоров, В.Я. Недоводеев, Е.Ю.Малиновский, А. В. Олешкевич, А. Н. Орлов, Н. Н. Панасенко, Д.Н. Решетов, Б.Г.Скородумов, И. М. Соболев, В. Г. Соловьев, Р. Б. Статников, В.Н. Тарасов, Н.М.Чернова, Б. Банди, Фам Ван Хой, Д. Хедли, А. Рейнвиндран, Г. Реклейтис, К. Рэксдел, Д. Уайлд и другие [31 -76].
Однако методы оптимального проектирования, применяемые при разработке кранов общего назначения, не могут быть применены для проектирования кранов ВКО и требуют определенной доработки, связанной с более высокими требованиями, предъявляемыми к безопасности эксплуатации кранов данного типа. В связи с вышеизложенным в рамках данной работы планируется осуществить дальнейшее развитие теории оптимального проектирования грузоподъемных кранов применительно к козловым кранам ВКО.
Цель работы — снижение эксплуатационных затрат и себестоимости изготовления козловых кранов высокого класса ответственности при одновременном обеспечении необходимого уровня безопасности эксплуатации за счет применения предложенных методов оптимального проектирования механизмов, несущей металлоконструкции и определения коэффициентов запаса прочности элементов указанных кранов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить критерии идентификации козловых кранов высокого класса ответственности;
2. Выбрать критерий количественной оценки безопасности эксплуатации козловых кранов ВКО;
3. Разработать метод определения коэффициентов запаса прочности элементов механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО в зависимости от степени ответственности крана и элемента,
4. Выбрать методы оптимизации для решения задач оптимального проектирования механизмов и несущих металлических конструкций козловых кранов ВКО;
5. Определить критерии оптимальности механизмов и металлоконструкций козловых кранов ВКО;
6. Разработать методы многокритериального оптимального проектирования механизмов подъема груза, механизмов передвижения козловых кранов ВКО и передвижения их грузовых тележек;
7. Разработать методы многокритериального оптимального проектирования несущих металлоконструкций козловых кранов ВКО.
Основная идея работы: создание метода определения коэффициентов запаса прочности элементов козловых кранов ВКО с учетом степени ответственности крана и элемента, а также методов оптимального проектирования механизмов подъема груза, передвижения крана и грузовой тележки, а также несущей металлоконструкции указанных кранов, позволяющих получать конструкции, обладающие меньшей себестоимостью и эксплуатационными затратами при одновременном обеспечении необходимого уровня безопасности эксплуатации.
Методы исследования. В диссертационном исследовании использовались: метод многокритериальной оптимизации, основанный на применении принципа Парето, логико-графический метод количественного анализа риска опасных событий с помощью построения и анализа дерева отказов, метод динамического программирования, метод ЛП-поиска и модифицированный метод Хука-Дживса.
Обоснованность и достоверность полученных результатов основывается на корректности физических предпосылок, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей; применении апробированных законов математики, механики, теории механизмов и машин, методов математического моделирования и методов оптимального проектирования; подтверждении предложенных научных по-
ложений данными компьютерного моделирования; а также на сравнительном анализе полученных в работе результатов с известными.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. В качестве критериев идентификации кранов высокого класса ответственности следует использовать число людей, здоровью которых может быть нанесен урон при возникновении опасных событий, вызванных отказом крана, а также общую величину потенциального экономического и экологического ущерба в денежном выражении;
2. При определении коэффициентов запаса прочности отдельных элементов козловых кранов ВКО необходимо учитывать величину потенциального ущерба от опасных событий, к которым способен приводить отказ крана, и назначенное на его основе значение «приемлемого риска»; влияние элемента на общую безопасность системы, а также предполагаемый срок эксплуатации и группу классификации режима работы крана; что реализовано в разработанном методе определения коэффициентов запаса прочности;
3. Задачи оптимального проектирования механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО являются многокритериальными, и могут быть решены методом многокритериальной оптимизации, основанным на применении принципа Эджворта-Парето.
4. В состав векторного критерия оценки качества решения задач многокритериального оптимального проектирования механизмов подъема груза следует включать массу, себестоимость, КПД и габаритные размеры механизма; механизмов передвижения - массу, себестоимость и КПД механизма; металлоконструкций козловых кранов ВКО - массу металлоконструкции и затраты, связанные непосредственно с трудоемкостью ее изготовления.
5. Применение в предложенных методах формирования множеств парето-оптимальных решений механизмов подъема груза, передвижения козловых кранов ВКО и их грузовых тележек динамического программирования позволяет автома-тизированно рассмотреть все возможные сочетания различных вариантов комплектующих механизма и гарантированно найти каждое парето-оптимальное решение;
6. При выборе пространственной структурной схемы металлоконструкции козловых кранов ВКО необходимо рассматривать не только известные ранее структурные схемы, но и новые варианты создаваемых схем, что позволяет предложенный метод синтеза пространственных структурных схем металлоконструкций козловых кранов.
Новизна научных положений состоит в том, что:
- предложены критерии идентификации козловых кранов ВКО, которые позволяют однозначно определять принадлежность козловых кранов к данному классу в отличие от действующих нормативных документов, а также дифференцировать их по степени ответственности;
- при определении коэффициентов запаса прочности элементов механизмов и металлоконструкции козловых кранов высокого класса ответственности с помощью разработанного метода учитывается потенциальный ущерб, к которому способны приводить опасные события, связанные с отказом крана, и влияние элемента на общую безопасность системы;
- получены векторные критерии оценки качества решения задач многокритериального оптимального проектирования механизмов и металлоконструкции козловых кранов ВКО, которые позволяют полноценно оценивать влияние принимаемых конструктором решений на капитальные и эксплуатационные затраты крана и при этом относительно легко определяются;
- в разработанных методах и алгоритмах формирования множеств парето-оптимальных решений для механизмов козловых кранов ВКО реализуется метод динамического программирования;
- предложенный метод синтеза пространственных структурных схем металлоконструкций козловых кранов ВКО позволяет автоматизированно находить оптимальное решение как из числа ранее известных, так и вновь создаваемых схем.
Практическая значимость работы. Полученные методы и алгоритмы формирования парето-оптимальных решений для механизмов подъема груза, передвижения кранов и грузовых тележек, метод синтеза оптимальных структурных схем металлоконструкций, а также методика и алгоритм параметрической оптимизации
элементов металлоконструкции позволяют снизить металлоемкость, стоимость проектирования и изготовления, энерговооруженность козловых кранов ВКО при одновременном обеспечении необходимого уровня безопасности эксплуатации.
Реализация результатов работы. Методы и алгоритмы формирования множеств парето-оптимальных решений механизмов подъема груза и передвижения козловых кранов ВКО внедрены на ОАО НПО «ВНИПТМАШ», г. Москва, ОАО «Тяжмаш», г. Сызрань, ООО «Симбирский крановый завод», г. Ульяновск. Векторные критерии качества решения задач оптимального проектирования механизмов и металлоконструкции внедрены в ООО «ИКЦ Крансервис», г. Балаково. Результаты диссертационного исследования также используются при обеспечении учебного процесса в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. и Вольском военном институте материального обеспечения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на I Всероссийской научно-методической конференции с международным участием "Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров" (Саратов, 2000), международной научно-технической конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2001" (Санкт-Петербург, 2001), межвузовской научной конференции «Современные проблемы нелинейной механики конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами» (Саратов, 2002), научно-технической конференции "Проблемы разработки новых технологий и оборудования для предприятий строительной, машиностроительной, химической и энергетической промышленности" (Саратов, 2002), научной конференции "Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин" (Астрахань, 2002), международной научно-технической конференции "Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин" (Саратов, 2002), научно-технической конференции «Подъёмная безопасность при эксплуатации подъемно-транспортных машин» (Санкт-Петербург, 2003), первом Уральского подъемно-транспортного Конгрессе ( Екатеринбург, 2008), I и III региональной научно-технической конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства» (Саратов, 2009, 2012), III Всероссийской научно-технической
конференции «Информационные технологии, автоматизация, системы автоматизированного проектирования промышленных систем и строительных объектов» (Саратов, 2011), V международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации», международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2013» «Инновации в науке-инновации в образовании» (Новочеркасск, 2013), международной научно-практической интернет-конференции «ЗлуогШ» (Одесса, 2013). Диссертационная работа заслушивалась и была одобрена на заседаниях кафедр «Подъемно-транспортные машины и роботы» ЮжноРоссийского государственного политехнического университета имени М.И.Платова, «Строительные и дорожные машины и оборудование» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научных работы, в том числе 2 монографии и 1 патент на изобретение. Из указанного числа работ 17 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из двух томов, в составе первого тома введение, 5 глав, заключение и список использованной литературы из 391 наименования, в составе второго тома 7 приложений. Диссертация содержит 300 страниц машинописного теста, 61 рисунок, 10 таблиц, общий объем основного текста 384 страницы, приложений - 128 страниц.
1. Состояние проблемы и обоснование задач исследования
1.1. Обоснование актуальности исследования и общая постановка задачи
Современные тенденции развития машиностроения подразумевают получение технических конструкций нового, более высокого качественного уровня, выражающегося в улучшении эксплуатационных параметров, снижении затрат на производство и эксплуатацию производимых машин. Применительно к крановым конструкциям это означает необходимость создания грузоподъемных кранов, имеющих более высокие грузоподъемность, параметры обслуживаемой зоны, производительность, точность позиционирования, безопасность производства работ; а также требующих меньших затрат материалов, энергии, труда на их производство и эксплуатацию. Учитывая, что многие из приведенных выше параметров противоречат друг другу и невозможно создать объект с наилучшими показателями сразу по всем параметрам, задача сводится к достижению некоего компромисса - конструкции, обладающей наиболее удачным сочетанием технических и экономических качеств. Решение этой задачи возможно прежде всего за счет использования методов оптимального проектирования, позволяющих получать конструкции с наилучшими параметрами по ряду противоречивых критериев, находящихся в сложной зависимости друг от друга [50].
Решение задачи оптимального проектирования предусматривает последовательное выполнение следующих этапов:
1. Анализ методов оптимизации и выбор метода или методов, наиболее подходящих для решения поставленной задачи;
2. Анализ проектируемой технической системы, построение математической модели, наиболее полно описывающей зависимость параметров системы между собой;
3. Анализ критериев оптимизации и выбор критерия качества, построение целевой функции - аналитической зависимости критерия качества от параметров системы;
4. Разработка ограничений, накладываемых на математическую модель исследуемой системы;
5. Разработка алгоритма поиска оптимального решения;
6. Поиск оптимального решения;
7. Инженерное воплощение полученного оптимального решения в конструкторской документации.
Поскольку грузоподъемные краны являются весьма сложными техническими системами, рассматривать в процессе поиска оптимальных решений всю конструкцию целиком невозможно. В связи с этим целесообразно более сложную систему рассматривать как совокупность нескольких подсистем, последовательно исследуя каждую из них. При этом взаимное воздействие подсистем друг на друга должно быть выражено в виде внешних силовых факторов, а также с помощью вводимых дополнительно граничных условий.
Козловый кран естественным образом делится на следующие подсистемы:
- несущая металлическая конструкция,
- механизм подъема груза,
- механизм передвижения крана,
- механизм передвижения грузовой тележки,
- несущая металлическая конструкция грузовой тележки.
Помимо вышеперечисленных подсистем, имеющих место для всех козловых кранов, в более сложных случаях также могут присутствовать другие элементы, прежде всего, механизмы вспомогательного подъема, механизмы передвижения тележек вспомогательного подъема, ремонтные краны и др.
Также следует отметить, что при решении задачи оптимального проектирования каждой из выделенных подсистем, последняя в свою очередь может рассматриваться как совокупность более мелких подсистем, в частности, металлоконструкция может быть разделена на пролетное строение и опоры, механизмы — на привод, систему управления, передаточные механизм и исполнительный орган и т.д. Подобный подход будет многократно использоваться на протяжении всего исследования при анализе сложных технических систем.
Непосредственно при решении задачи оптимального проектирования конкретной конструкции козлового крана, приведенные выше подсистемы должны рассматриваться в определенном порядке. Графически последовательность проектирования систем козлового крана и взаимосвязь между ними иллюстрирована на Рис. 1.
Ш.Нупод (№ханизм
-е» поЭьема — И
груза ■
инехлоЦАБу *
» [Иепшлоконстрцкция — ^ тележки грузобои
бнх!тр/7 ^ Бгщхтеп
1 Утел Мехснизм ^
--передвижения
шЯШЖ тележки ВЩ^
ший
Техническое заЭоние
[Мегтмаконстпрукция | _крена_
Мехснизм переЗбижения крона
Рис. 1. Последовательность проектирования систем козлового крана и взаимное влияние их конструкций друг на друга.
Основанием для проектирования является техническое задание, которое содержит все требуемые количественные и качественные характеристики проектируемого крана. В первую очередь должен быть спроектирован механизм подъема груза (при необходимости вспомогательные механизмы подъема груза), исходя из параметров технического задания: грузоподъемности высоты Н и скорости подъема груза упод, диапазона ОП0Д и характера (ступенчатое или плавное) ее регу-
лирования, группы классификации режима работы механизма (числа включений механизма в час, продолжительности включения), а также индивидуальных особенностей проектируемого крана и объекта, на котором он будет установлен: по-жаро- и взрывоопасное™, сейсмостойкости, степени опасности транспортируемого груза, его габаритных размеров, степени опасности и размещения устанавливаемого в непосредственной близости от проектируемого крана технологического оборудования и других данных. Далее проектируется металлическая конструкция грузовой тележки на основании полученных параметров механизма подъема, а именно: массы и расположения основных элементов механизма, а также его габаритных размеров. На следующем этапе проектируется механизм передвижения грузовой тележки, исходными данными для этого являются масса механизма подъема и грузовой тележки, ее габаритные размеры, а также заданные техническим заданием скорость передвижения грузовой тележки утел, диапазон £>тел и характер ее регулирования, группа классификации режима работы механизма. По завершении проектирования механизма передвижения грузовой тележки необходимо внести некоторые дополнения в ее металлоконструкцию, а именно разработать крепление для спроектированного механизма. В дальнейшем на основании массы и габаритов грузовой тележки, а также грузоподъемности и пролета крана, высоты подъема груза и других условий, заданных техническим заданием, проектируется несущая металлоконструкция крана. В последнюю очередь проектируется механизм передвижения крана, исходя из массы и размещения основных элементов, а также грузоподъемности крана, скорости его передвижения у|ф, диапазона Дф и характера ее регулирования, группы классификации режима работы механизма, заданных техническим заданием.
В данном исследовании подсистемы будут рассматриваться в ином порядке, по принципу «подобное с подобным», т.е. сначала поочередно будет рассмотрены задачи оптимального проектирования механизмов, далее будет рассмотрено оптимальное проектирование металлоконструкции крана. Задача оптимального проектирования металлических конструкций грузовых тележек в рамках исследования рассматриваться не будет, ввиду следующих причин:
1. Масса и себестоимость металлической конструкции грузовой тележки составляет весьма малый процент от общей массы и себестоимости козлового крана, и не оказывает существенного влияния на экономические показатели всего козлового крана;
2. Конструктивная схема грузовой тележки определяется компоновкой устанавливаемых на ней механизмов и другого оборудования, а размеры сечений отдельных ее балок - массой и размерами устанавливаемого на них оборудования, а также общей грузоподъемностью крана. В результате достигнуть снижения себестоимости и массы металлоконструкции грузовой тележки возможно в большей степени за счет изменения конструкции механизма подъема, нежели параметров самой металлоконструкции.
1.2. Определение объекта исследования
Как было отмечено ранее, согласно ГОСТ 28609-90 «Краны грузоподъемные. Общие положения расчета» [1] к первому наиболее высокому классу ответственности относятся механизмы подъема и металлические конструкции кранов металлургического производства, атомных объектов, а также кранов, обслуживающих особо ответственный технологический процесс при отсутствии резервирования. Подобное определение дает весьма общую характеристику кранов высокого класса ответственности, в частности, стандарт не дает четких указаний по тому, какие технологические процессы следует считать особо ответственными. В связи с этим возникает необходимость обосновать четкие критерии идентификации козловых кранов ВКО.
Попробуем определить необходимые критерии на примере козловых кранов гидротехнических сооружений, непосредственно выполняющие операции с затворами. Отказ кранов данного типа в период паводка способен привести к серьезным экономическим, экологическим и социальным последствиям, однако в большинстве случаев на плотине гидротехнических сооружений параллельно установлено по два крана для маневрирования затворами как верхнего, так и нижнего
бьефа, то есть имеет место резервирование. Формально, исходя из требований стандарта, указанные краны не являются кранами высокого класса ответственности, тем не менее, по мнению автора, в данном случае необходимо применять более взвешенный подход, при котором степень ответственности крана, прежде всего, определяется размером потенциального ущерба при его отказе.
Похожие диссертационные работы по специальности «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», 05.05.04 шифр ВАК
Оценка и повышение безопасности эксплуатации и особенности определения остаточного ресурса козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций2004 год, кандидат технических наук Кобзев, Роман Анатольевич
Оптимизация параметров механизмов передвижения многоколесных козловых кранов2001 год, кандидат технических наук Зотов, Дмитрий Анатольевич
Обоснование структуры и силовых параметров дифференциальной системы торможения крана пролетного типа на рельсовом ходу2014 год, кандидат наук Стрельцов, Сергей Владимирович
Совершенствование метода расчёта пролетных балок мостовых кранов2013 год, кандидат технических наук Калабин, Павел Юрьевич
Обоснование параметров металлоконструкций грузовых тележек кранов мостового типа на основе универсальной компоновочной схемы2020 год, кандидат наук Денисов Илья Александрович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кобзев, Роман Анатольевич, 2014 год
- 17 с.
297. Кобзев P.A. Безопасность эксплуатации козловых кранов особо высокого класса ответственности: монография [Текст]. - Саратов, СГТУ, 2014.
- 148 с.
298. РД 10-112-5-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 5. Краны мостовые и козловые [Текст]. - Введ. 1998-01-01. - М.: Госгортехпадзор России, 1997.-54 с.
299. Расчеты крановых механизмов и их деталей. ВНИИПТМАШ [Текст]: В 2-х томах. Т.2. - Издание 4-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993,- 163 е.: ил.
300. Александров, М.П. Подъемно-транспортные машины [Текст]. - М.: Высшая школа, 1985. - 518 с.
301. Александров, М.П. Грузоподъемные машины [Текст] / М.П.Александров, Л.Н.Колобов, Н.А.Лобов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1984.- 176 с.
302. Абрамович, А.И. Грузоподъемные краны промышленных предприятий: Справочник [Текст] / А.И.Абрамович, В.Н.Березин, А.Т.Яузе. - М.: Машиностроение, 1989. -360 с.
303. Богинский, К. Е. Мостовые и металлургические краны [Текст]. - М.: Машиностроение, 1970. -301 с.
304. Вайнсон, A.A. Подъемно-транспортные машины [Текст]. - М.: Машиностроение, 1975. — 488с.
305. Прошин, A.C. Монтажные краны электростанций [Текст]. — М.: Машиностроение, 1973. — 246с.
306. Артемьев, П.П. Грузоподъемные машины на речном транспорте [Текст]: Учебник для институтов водн. трансп. / П.П.Артемьев, В.И.Брауде, ИЛ {.Гаранин [и др]. - М.: Транспорт, 1981. - 246 с.
307. Зайцев, JT. В. Строительиые стреловые и самоходные краны [Текст] / JI.B. Зайцев, И.П.Улитенко. -М.: Машиностроение, 1974. —252 с.
308. Справочник по кранам [Текст]: В 2-х томах / Под редакцией А.И.Дукельского. - Л.: 1973, Т.1. - 523 с.
309. Справочник по кранам [Текст]: В 2-х томах / Под редакцией
A.И.Дукельского. - Л.: 1973, Т. 1. - 535 с.
310. Петухов, П.З. Специальные краны [Текст] / 11.3. Петухов, Г. 11. Ксю-нин, Л.Г. Серлин. - М.: Машиностроение, 1985. - 248 с.
311. Кох, П.И. Козловые краны для гидроэлектростанций [Текст] / П.И. Кох, П.М. Нещеретный, В.А. Чекулаев [и др.]. - М.: Машиностроение, 1972. -168 с.
312. Беглов, Б.В. Мостовые перегружатели [Текст] / Б.В.Беглов, П.И.Кох,
B.И.Онищенко. -М.: Машиностроение, 1974. - 224 с.
313. Иванченко, Ф.К. Конструкция и расчет подъемно-транспортных машин [Текст]. - Киев.: Высшая школа, 1983.- 351 с.
314. Кобзев, А.П. Специальные поворотные краны новых типов [Текст]. — Саратов: Изд. Сарат. политехи, ин-та, 1985. - 79 с.
315. Вайпсон, A.A. Строительные краны [Текст]. - М.: Машиностроение, 1969.-320 с.
316. Брауде, В.И. Надежность подъемно-транспортных машин [Текст] /
B.И.Брауде, Л.Н.Семенов. - Л.: Машиностроение, 1986. - 183 с.
317. Скородумов, Б.В. Опыт разработки и внедрения САПР башенных кранов [Текст] // Новое в подъемно-транспортном машиностроении: тез. Всес. науч.-техн. конф. -М.: 1991. - С. 77-78.
318. Кукибный, A.A. Оптимальные параметры механизма подъема груза [Текст] // Детали машин и ПТМ: межвед. респ. науч.-техн. сб. Киев, 1966. — С. 145-155.
319. Липатов, A.C. Особенности разработки САПР ПТМ [Текст] / А.С.Липатов, А.М.Северов // Новое в подъемно-транспортном машиностроении: тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. - М.: изд. МГУ им. Н.Э. Баумана, 1985. -
C. 8-9.
320. Скородумов, Б.А. Система автоматизированного проектирования механизмов подъема груза мостовых кранов [Текст] // Новое в подъемно-транспортном машиностроении: тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. - М.: изд. МГУ им. Н.Э. Баумана, 1985. - С. 66-67.
321. РТМ 24.090.24-76. Краны грузоподъемные. Оптимизация показателей надежности [Текст]. - М.: НИИНФОРМ'ГЯЖМАШ, 1978. - 9 с.
322. Олешкевич, A.B. Оптимизация основных параметров механизма подъема груза кранов мостового типа [Текст]. Дисс. ... канд. техн. паук. Ульяновск, 1988.-220 с.
323. Хальфин, М.Н. Проектирование крановых механизмов [Текст] / М.Н. Хальфин, A.A. Короткий, В.Г. Полежаев и др. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006.-224 с.
324. Кобзев, А.П. Оптимальное проектирование тяжелых козловых кранов. [Текст]. - Саратов: Изд. Сарат. ун-та, 1991. — 160 с.
325. Кобзев, P.A. Системный подход при разработке САПР механизмов кранов с применением методов многокритериальной оптимизации [Текст] /
Р.А.Кобзев, Н.М.Чернова // Сборник научных трудов по материалам III региональной научн.-техн. конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства». - Саратов: СГТУ, 2012. - С. 227-230.
326. Кобзев, P.A. Применение метода многокритериальной оптимизации к исследованию механизма главного подъема полярного крана Балаковской АЭС [Текст] / Р.А.Кобзев, Н.М.Чернова // Глобальная ядерная безопасность. - М.: МИФИ, 2013, №3(8). -С. 31-36.
327. Кобзев, P.A. Козловые краны и мостовые перегружатели [Текст] / Р.А.Кобзев, А.П.Кобзев. - Саратов: СГТУ, 2005. - 96 с.
328. Кобзев, P.A. Специальные краны [Текст] / Р.А.Кобзев, А.Г1.Кобзев. -Саратов: СГТУ, 2005. - 472 с.
329. Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин [Текст]: отчет о НИР (за-ключ), СГТУ; рук. А.П.Кобзев; исполн.: Н.М.Чернова, Кобзев P.A. [и др.]. - 139 с. №ГР01200901036, Инв.№0220.1 258635.
330. Кобзев, P.A. Выбор критериев оптимального проектирования специальных козловых кранов ГЭС [Текст] / Р.А.Кобзев, А.П.Кобзев // Сборник научных трудов по материалам I региональной научн.-техн. конференции «Системы автоматического проектирования и автоматизация производства». — Саратов: СГТУ, 2009. - С. 183-184.
331. Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин [Текст]: отчет о НИР (за-ключ), СГТУ; рук. А.П.Кобзев; исполн.: Н.М.Чернова, Кобзев P.A. [и др.]. - 143 с. №ГР01.2.00 901036.
332. Шаумян, Г.А. Обоснование и расчет сроков службы и эффективности новой техники [Текст] // Изв. ВУЗов. Машиностроение, №1,1973. - С. 12-15.
333. Пихтарников, Я.М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций [Текст]. - М.: Стройиздат, 1979. - 319 с.
334. Промышленная безопасность: В 2 ч. Ч. 2. Грузоподъемные крапы [Текст]: Справочное пособие / JI.H. Горбунова, М.П.Закревский, А.А.Калинин [и др.]. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. - 298 с.
335. Рабинович, А.А. Крановое электрооборудование [Текст]: Справочник/Ю.В.Алексеев, А.П.Богословский, Е.М.Певзнер [и др.]; Под общ. ред. А.А. Рабиновича. - М.: Энергия, 1979. - 240 с.
336. ОСТ 24.090.85-88. Электроприводы. Нормы расчета [Текст]. - Введ. 1988-01-07.-М.: Изд-во «Внииптматп», 1988. - 80 е.: ил.
337. ГОСТ 1451-77. Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения [Текст]. - Введ. 1978-01-01. - М.: Изд. стандартов, 1977. -27 с.
338. ГОСТ 2688-80. Канат двойной свивки типа JTK-P конструкции 6x19 (1+6+6/6)+ о.с. Сортамент [Текст]. - Введ. 1980-01-07. - М.: Изд. стандартов, 1980.- 12 с.
339. ГОСТ 7688-80. Канат двойной свивки типа JIK-PO конструкции 6x36(1+7+7/7+14) + о.с. Сортамент [Текст]. - Введ. 1980-01-07. - М.: Изд. стандартов, 1980. - 11 с.
340. ГОСТ 7689-80. Канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6x19 (1+6+6/6) + 7x7(1+6). Сортамент [Текст]. - Введ. 1980-01-07. - М.: Изд. стандартов, 1980. - 11 с.
341. Беллман, Р. Динамическое программирование [Текст]. - М.: Изд-во иностр. Литературы, 1960. - 302 с.
342. Беллман, Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования [Текст] / Р.Беллман, С.Дрейфус. -М.: Наука, 1965. -280 с.
343. Е. М. Кудрявцев. Основы автоматизированного проектирования: Учебник для студ. высш. учеб. Заведений. - М.: Издательский центр "Академия", 2011. - 304 с.
344. Pedro Rivotti, Efstratios N. Pistikopoulos. Constrained dynamic programming of mixed-integer linear problems by multi-parametric programming. Computers & Chemical Engineering, Volume 70, 5 November 2014, Pages 172-179.
345. II. S. Chang, "Converging marriage in honey-bees optimization and application to stochastic dynamic programming," Journal of Global Optimization, vol. 35, no. 3, pp. 423-441,2006.
346. Jay H. Lee. From robust model predictive control to stochastic optimal control and approximate dynamic programming: A perspective gained from a personal journey. Computers & Chemical Engineering, Volume 70, 5 November 2014, Pages 114-121.
347. Ali Heydari, S.N. Balakrishnan. Global optimality of approximate dynamic programming and its use in non-convex function minimization. Applied Soft Computing, Volume 24, November 2014, Pages 291-303.
348. Mohamed-Seghir Mostefa. The Branch-and-bound Method, Genetic Algorithm, and Dynamic Programming to Determine a Safe Ship Trajectory in Fuzzy Environment. Procedia Computer Science, Volume 35, 2014, Pages 348-357.
349. Berenger Favre, Bruno Peuportier. Application of dynamic programming to study load shifting in buildings. Energy and Buildings, Volume 82, October 2014, Pages 57-64.
350. Tao Bian, Yu Jiang, Zhong-Ping Jiang. Adaptive dynamic programming and optimal control of nonlinear nonaffine systems. Automatica, Volume 50, Issue 10, October 2014, Pages 2624-2632.
351. Mauro Russo, Antonio Sforza, Claudio Sterle. An exact dynamic programming algorithm for large-scale unconstrained two-dimensional guillotine cutting problem. Computers & Operations Research, Volume 50, October 2014, Pages 97114.
352. Georg Sauthoff, Robert Giegerich. Yield grammar analysis and product optimization in a domain-specific language for dynamic programming. Science of Computer Programming, Volume 87, 1 July 2014, Pages 2-22.
353. Tao Feng, Huaguang Zhang, Yanhong Luo, Jilie Zhang. Stability analysis of heuristic dynamic programming algorithm for nonlinear systems. Neurocomputing, In Press, Corrected Proof, Available online 6 September 2014.
354. Alicia M. Frame, Alex F. Mills. Condition-dependent mate choice: A stochastic dynamic programming approach. Theoretical Population1 Biology, Volume 96, September 2014, Pages 1-7.
355. Anna Jaskiewicz, Janusz Matkowski, Andrzej S. Nowak. Generalised discounting in dynamic programming with unbounded returns. Operations Research Letters, Volume 42, Issue 3, May 2014, Pages 231-233.
356. Кобзев, P.А. Особенности проектирования кранов особо высокого класса ответственности [Текст] // Материалы межд. научн.-техн. конференции «Интерстроймех-201 3» «Инновации в науке - инновации в образовании». - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С.1 16-120.
357. Кобзев, Р.А. Оптимальное проектирование механизмов подъема грузоподъемных машин с применением динамического программирования [Текст] / Л.В.Барановская, Р.А.Кобзев // Сборник научных трудов SWorld, Одесса, Куприеико С.В., 2013. - С. 69-73.
359. Кобзев, Р.А. Оптимальное проектирование механизмов подъема козловых кранов особо высокого класса ответственности: монография [Текст] / Р.А. Кобзев, В.Д. Павлюк. - М.: Издательство «Перо», 2014. - 178 с.
360. Кобзев, Р.А. Многокритериальное оптимальное проектирование механизмов подъема с применением динамического программирования [Текст] // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №2(75), 2014. - С. 108-1 12.
361. Кобзев, Р.А. Оптимальное проектирование механических систем машин с применением метода динамического программирования и принципа Па-рето [Текст] / А.П.Кобзев, Р.А. Кобзев, Д.В. Шаркова // Межвузовский сборник-научно-технических статей. Выпуск 34. - Вольск: ВВИМО, 2014. - С. 209-215.
362. Спицина, И.О. Повышение долговечности крановых ходовых колес [Текст] //Вестник машиностроения, 1970, №3. - С. 30-37.
363. Лобов, Н.А. Пути повышения долговечности ходовых колес кранов мостового типа [Текст] // Проблема развития и совершенствования подъемно-транспортной техники: тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. — Красноярск: 1988. -С. 50-52.
364. Лобов, H.A. Эксплуатационные свойства ходовой части кранов, передвигающейся по рельсовому пути [Текст] // Новое в подъемно-транспортном машиностроении: тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. -М.: 1991. - С. 62-63.
365. Снесарев, Г.А. Расчет механизмов крана [Текст] / Г.А.Снесарев, В.П.Тибанов, В.М.Земляков. / Под ред. Д.Н.Решетова. - М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 1994. - 78 с.
366. Кобзев, P.A. Применение принципа Парето к оптимальному проектированию механизмов передвижения кранов [Текст] / Р.А.Кобзев, Н.М.Чернова // Труды V межд. научн.-практ. интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации». - Пенза: РГУИТП, 2012. - С. 325-326.
367. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование механизма передвижения крапа мостового для обслуживания машинного зала АЭС [ Текст] / P.A.Кобзев, Н.В.Путро, Н.М.Чернова // Глобальная ядерная безопасность. - М.: МИФИ, 2013, №2(7). -С. 35-39.
368. Кобзев, P.A. Многокритериальное оптимальное проектирование механизмов передвижения козловых кранов с применением динамического программирования [Текст] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4; URL: http://www.science-education.ru/1 18-14368 (дата обращения: 20.08.2014).
369. Зотов, Д.А. Оптимизация параметров механизмов передвижения многоколесных козловых кранов [Текст]: дис. ... канд. техн. наук. - Балаково., СГТУ, 2001.- 154 с.
370. Гохберг, М.М. Металлические конструкции подъемио-транспортных машин [Текст]. - Л.: Машиностроение, 1976. - 454 с.
371. Вершинский, A.B. Технологичность и несущая способность конструкций [Текст]. -М.: Машиностроение, 1984. - 167 с.
372. Богуславский, П.Е. Металлические конструкции грузоподъемных машин и сооружений [Текст]. - М.: Машиностроение, 1961. - 5 1 5 с.
373. Вайник, В.А. К расчету металлоконструкций мостовых кранов на ЭВМ [Текст] // тез. докл. всес. конф. «Проблемы развития и совершенствования подъемно-транспортной техники», Красноярск, 1988. - С.74-78.
374. Демокритов, В.Н. Оптимальное проектирование крановых мостов [Текст]. - Ульяновск: Приволжское кн. издательство, 1978. - 106 с.
375. Пихтарников, Я.М. Металлические конструкции. Методика технико-экономического анализа при проектировании [Текст]. - М.: Стройиздат, 1968. -312 с.
376. Фам, В.Х. Вопросы оптимизации металлических листовых конструкций козловых кранов общего назначения [Текст]: Автореф. канд. техн. наук. -Л.: ЛПИ, 1982. - 16 с.
377. Летников, Н.С. Влияние конструктивной формы и технологии на трудоемкость изготовления металлоконструкции мостовых кранов [Текст] // Исследование деталей машин: труды Ульяновского полит, ин-та, 1975, Г.У. Вып. 2.-С. 7-12.
378. Кобзев, А.П. Оптимальное проектирование коробчатых металлоконструкций строительных машин [Текст] // Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура. 1993, №10.-С.17-18.
379. Прищепенко, Д.Т. Снижение металлоемкости мостовых кранов большой грузоподъемности [Текст] / Д.Т.Прищепенко, В.И.Коляда, Т.М.Тарасов // Энергетическое строительство, 1986, №2. - С. 65-67.
380. Кобзев, P.A. Оптимальное проектирование решетчатых металлоконструкций [Текст] / А.П.Зубов, А.П.Кобзев, Р.А.Кобзев // Сборник научных трудов межвузовской научн. конференции «Современные проблемы нелинейной механики конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами». - Саратов: СГТУ, 2002.-С. 55-58.
381. Кобзев, P.A. Строительная механика и металлоконструкции подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин [Текст] / А.В.Вершинский, А.П.Кобзев, Р.А.Кобзев [и др.]. - Саратов: СГТУ, 2004. - 219 с.
382. Кобзев, P.A. Анализ задач параметрической и структурной оптимизации металлоконструкций тяжелых козловых кранов и методов их решения [Текст] / Л.В.Барановская, Р.А.Кобзев // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №2(71), Вып. 2, 2013. - С. 220-224.
383. Кобзев, P.A. Выбор метода оптимального проектирования металлических конструкций козловых кранов высоких классов ответственности [Текст) // Мир транспорта и технологических машин. — Орёл: ОрёлГТУ, №4(39), 201 2. -С. 48-52.
384. Кобзев, P.A. Выбор целевой функции оптимального проектирования металлических конструкций козловых кранов [Текст] / Р.А.Кобзев, П.М.Чернова. // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, №3(58), Вып. 2, 2011. -С. 252-255.
385. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация пространственных крановых конструкций варьированием длинами входящих стержней и точками их закрепления [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №2(33), 2011. — С.97-100.
386. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация металлоконструкций козловых кранов [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №4(35), 2011. - С. 43-50.
387. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация при анализе конструкций пролетных строений и опор крапов мостового типа [Текст] // Сборник научных трудов III Всероссийской науч.-техн. конференции «Информационные технологии, автоматизация, системы автоматизированного проектирования промышленных систем и строительных объектов». - Саратов: СГТУ, 2011. - С.98-101.
388. Казак, С.А. Курсовое проектирование грузоподъемных машин [Текст]: Учебное пособие для студентов машиностр. спец. вузов / С.А.Казак, В.Е.Дусье, Е.С.Кузнецов [и др.]; под ред. С.А.Казака. - М.: Высш. шк., 1989. -319с.
389. Кобзев, P.A. Определение нагрузок на металлические конструкции козловых кранов от действия перекосных усилий при проектировании [Текст] /
/ 384
С ¿У
Р.А.Кобзев, Н.М.Чернова // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула: ТулГУ, 2013. - №.5. - с. 77-83.
390. Кобзев, P.A. Структурная оптимизация металлоконструкций специальных козловых кранов [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №2(41), 2013. - С. 81 -84.
391. Кобзев, P.A. Синтез пространственных структурных схем металлоконструкций тяжелых козловых кранов [Текст] // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОрёлГТУ, №4(43), 2013. - С. 56-60.
06.05.2015 515050650008
Балаковский институт техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета
На правах рукописи
КОБЗЕВ Роман Анатольевич
МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЗЛОВЫХ КРАНОВ ВЫСОКОГО КЛАССА ОТВЕТСТВЕННОСТИ
Том 2
Приложения.
Специальность 05.05.04 -Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант доктор технических наук Чернова Н.М.
Саратов - 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Приложение 1. Значения «приемлемого риска» опасных событий, связанных с эксплуатацией козловых кранов высокого класса ответственности, в зависимости от класса ответственности объекта, на
котором установлен кран.............................................................. 3
Приложение 2. Данные по интенсивностям отказов типовых конструктивных элементов грузоподъемных машин............................................. 38
Приложение 3. Количественный анализа риска опасного события «падение ротора гидротурбины в зоне действующего оборудования Саратовской ГЭС при его переносе двумя козловыми кранами К2х180/50+10» и определение на основании обеспечения «приемлемого риска» данного события необходимых коэффициентов запаса прочности
наиболее ответственных элементов крана........................................... 42
Приложение 4. Составление выражений для определения габаритных размеров механизма подъема А и Б для всех вариантов компоновки
механизма................................................................................... 70
Приложение 5. Оптимальное проектирование механизма подъема крана
КМ15 для обслуживания машинного зала АЭС.................................... 101
Приложение 6. Оптимальное проектирование механизма передвижения
крана КМ15 для обслуживания машинного зала АЭС.......................... 106
Приложение 7. Оптимальное проектирование металлоконструкции козлового крана К2х100 для строительства атомных электростанций...... 111
Приложение 1
Значения «приемлемого риска» опасных событий, связанных с эксплуатацией козловых кранов высокого класса ответственности, в зависимости от класса ответственности объекта, на котором установлен кран
Сначала в качестве примера рассмотрим грузоподъемные краны атомной энергетики, нормативным актом НГТ 043-01 «Требования к устройству и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов для объектов использования атомной энергии» [218] предусмотрено три группы крапов:
группа А - краны, перемещающие ядерные материалы, включая свежее и отработавшее ядерное топливо, высокоактивные радиоактивные отходы;
группа Б - краны, перемещающие радиоактивные вещества и радиоактивные отходы средней и низкой активности;
группа В - краны ОИАЭ, используемые в помещениях, где располагаются системы (элементы) и оборудование, важные для безопасности ОИАЭ.
Для описанных классов в технической литературе [197] предложены величины «приемлемого риска», сведенные в Табл. 1.
Таблица 1
«Приемлемый риск» грузоподъемных кранов в зависимости от группы опасности согласно [197]_
Группа крана, в соответствии с НП 043-03 «Приемлемый риск» отказа подъемного сооружения в целом ( 1 /год) «Приемлемый риск» отказа системы подъема подъемного сооружения 1 /год
Группа А 10° \0'ь
Группа Б 10"4 ю-5
Группа В ю-3 ю-4
По поводу данных рекомендаций можно сделать следующие замечания: 1. В данном источнике авторы нормируют риск как для всего подъемного сооружения целиком, так и отдельно для системы подъема, при этом смущает,
что величина «приемлемого риска» отдельной системы превышает «приемлемый риск» всего подъемного сооружения целиком. По всей видимости, 'в данном случае имеется ввиду «приемлемый риск» не всего подъемного сооружения, а его прочих систем, помимо системы подъема. Однако и в этом случае, следовало также назначить максимальную величину «приемлемого риска» для несущей металлической конструкции подъемного сооружения по аналогии с [1]. В данном исследовании мы будем придерживаться положения, что величина «приемлемого риска» должна быть назначена не для козлового крана, а для отдельных «опасных событий», с которыми связана их эксплуатация, подобный подход также используется и в специальной нормативной литературе [180], в которой нормируется именно риск опасных событий.
2. Количественные значения рекомендуемого источником «приемлемого риска» в целом отвечают нормативным значениям «приемлемого риска» для элементов атомных станций [218]. В частности, регламентированное значение риска такого опасного события, как разрушение корпуса реактора составляет 10"7 1/год, аналогичная величина «приемлемого риска» предусмотрена для предельного выброса радиоактивных веществ. Предлагаемые авторами [197] значения «приемлемого риска» отказа несколько ниже, поскольку и тяжесть последствий при аварии рассматриваемых крапов значительно меньше.
Рассмотрим опасные события, к которым может привести эксплуатации козловых кранов объектов атомной энергетики различных групп ответственности, и на основании тяжести наносимого ущерба определим предварительно значения «приемлемого риска». Результаты поместим в Табл. 2.
Критерии классификации материалов по степени радиоактивности будут рассмотрены более подробно позднее, при анализе опасных грузов.
Отметим, что помимо указанных опасных событий, с эксплуатацией рассматриваемых кранов связана также масса других событий, однако нами в расчет будут приниматься критериальные опасные события, то есть опасные
события, влекущие за собой последствия, послужившие причиной классифицирования рассматриваемого крана как крана ВКО.
Таблица 2
«Приемлемый риск» грузоподъемных кранов в зависимости от опасных событий, к которым способен приводить их отказ
Группа крана, в соответствии с НП 043-03 Опасные события, связанные с эксплуатацией данного типа крана «Приемлемый риск» 1/год
Группа А Утечка ядерных материалов высокой радиоактивности Ю'6
Группа Б Утечка ядерных материалов низкой и средней радиоактивности ю-5
Группа В Разрушение важных для безопасности ядерного объекта систем и оборудования кг4
По аналогии с приведенным примером рассмотрим следующие разновидности козловых кранов высокого класса ответственности, определим опасные события, связанные с их эксплуатацией,
Федеральным Законом №116ФЗ [93] для опасных производственных объектов предусмотрено 4 класса опасности, в соответствии с которыми следует также назначать значения «приемлемого» риска.
Рассмотрим краны, расположенные на опасных производственных объектах в соответствии с Законом №116 ФЗ.
В указанном выше Законе отдельно отмечены опасные промышленные объекты, на которых находятся следующие опасные вещества в указанных количествах (Табл. 3.)
Аммиак — высокотоксичное газообразное вещество, хранится в растворенном виде в массивных одностенных или двустенных емкостях в жидком или охлажденном состоянии под давлением. Перевозка аммиака производится в стальных баллонах вместимостью от 20 до 50 л [219, 220], а также в железнодорожных, автомобильных цистернах и танкерах, известны случаи транспортирования жидкого аммиака с помощью магистральных аммиакопроводов. Вместимость одностенных резервуаров для аммиака составляет обычно 100 м3, в нем может храниться более 50 тонн аммиака, что
Таблица 3
Классы опасности объектов в зависимости от содержания опасных веществ_
Наименование опасного вещества Количество опасного вещества, т
I класс опасности II класс опасности III класс опасности IV класс опасности
1. 2. 3. 4. 5.
Аммиак 5000 и более до 5000 до 500 от 10 до 50
Нитрат аммония (смеси аммония с содержанием азота выше 28% массы, водные растворы нитрата аммония с концентрацией более 90%) 25000 и более до 25000 до 2500 от 50 до 250
Нитрат аммония в форме удобрений или сложные удобрения с содержанием азота более 28%) массы 100000 и более до 100000 до 10000 от 200 до 1000
Акрилонитрил 2000 и более до 2000 до 200 от 4 до 20
Хлор 250 и более до 250 до 25 от 0,5 до 2 5
Оксид этилена 500 и более до 500 до 50 от 1 до 5
Цианистый водород 200 и более до 200 до 20 от 0,4 до 2
Фтористый водород 500 и более до 500 до 50 от 1 до 5
Сернистый водород 500 и более до 500 до 50 от 1 до 5
Диоксид серы 2500 и более до 2500 до 250 от 5 до 25
Триоксид серы 750 и более до 750 до 75 от 1,5 до 7,5
Алкилы свинца 500 и более до 500 до 50 от 1 до 5
Фосген 7,5 и более до 7,5 до 0,75 от 0,015 до 0,075
Метилизоциапат 1,5 и более до 1,5 до 0,15 от 0,003 до 0,015
соответствует III классу безопасности. Двухсгенные резервуары могут иметь емкость 20000 м3, соответственно его разрушение способно привести к розливу количества аммиака, соответствующему по данным Табл. 3. 1-му классу опасности.
Определим возможные опасные события, связанные с работой грузоподъемного крана в зоне расположения хранилищ аммиака, а также в случае перегрузки аммиака. Опасное событие для данного вида кранов -«утечка аммиака», оно может иметь различные сценарии реализации, например, утечка может наступить в результате падения тяжелого груза непосредственно на резервуар, повлекшее за собой его разрушение и свободный разлив аммиака, или в результате падения груза аммиака при его перегрузке, повлекшее за собой разрушение тары, и свободный разлив аммиака.
Приведенные сценарии, в свою очередь, также могут вызываться различными причинами, причем каждая причина имеет собственную вероятность появления, соответственно, вероятность реализации того или иного сценария появления опасного события является суммой вероятности появления всех различных причин, а вероятность появления опасного события — суммой вероятностей реализации возможных сценариев его появления. Следует отметить, что вероятность разрушения резервуара с аммиаком сравнительно невелика, однако «приемлемый риск» назначается нами на основании только размера потенциального ущерба, без оценки вероятности его нанесения, определение которой, собственно, и является целью процедуры анализа риска.
Значение «приемлемого риска» данного опасного события будет нормироваться в зависимости от количества свободно разлившегося аммиака (Табл. 4.)
Нитрат аммония (аммиачная селитра) — твердое взрывоопасное и огнеопасное вещество, широко используется в сельском хозяйстве, как удобрение. Транспортируется и хранится в битумированных бумажных и полиэтиленовых мешках [221]. Склады для хранения аммиачной селитры должны иметь возможность механизированной загрузки/выгрузки, чтобы обеспечить возможность срочной очистки склада, поскольку склады закрытые, козловые
Таблица 4
«Приемлемый риск» утечки аммиака в зависимости от объема_
Опасное событие «Разрушение хранилища аммиака и свободный розлив аммиака»
Количество разлившегося аммиака, т 5000 и более до 5000 до 500 от 10 до 50 до 10
«Приемлемый риск», 1/год Ю-6 5 • 10'6 10"5 5 • 10"5 ю-4
краны па них практически не применяются. Тем не менее, назначим величину «приемлемого риска» при эксплуатации кранов, обслуживающих склады нитрата аммония. В одном штабеле допускается хранить не более 120 т нитрата аммония, в одном отсеке - не более 1200 т, всего па складе - не более 3500 т. Учитывая высокие детонационные свойства, опасным событием при перегрузке нитрата аммония является «Детонация нитрата аммония». Размер ущерба должен определяться для каждого конкретного случая, исходя из количества находящегося на объекте или перемещаемого краном нитрата аммония, вида нитрата аммония (в смеси с другими материалами или в чистом виде, в виде водного раствора или виде твердых удобрений), способа хранения и проч. Величина «приемлемого риска» зависит от вида и количества нитрата аммония, которое может сдетонировать при его появлении. Фактически речь идет о пяти опасных событиях, имеющих одинаковую природу, по отличающуюся количественной характеристикой, а именно массой сдетонировавшего нитрата аммония. Для смесей нитрата аммония с содержанием азота выше 28% массы, с водными растворы нитрата аммония с концентрацией более 90% величина «приемлемого риска» при возможной детонации: менее 50 т - 10"4 1/год, более 50 т-5 • 10"5 1/год, более 250 т- 10'5 1/год, более 2500 т - 5 • 10"6 1/год.
Хранение нитрата аммония в большем размере противоречит Правилам безопасности [128], в случае, если нарушения данных Правил, должно быть назначено значение «приемлемого риска» в размере 10'6 1/год.
Для событий связанных с детонацией нитрата аммония в виде удобрения или смеси удобрений могут быть приняты следующие значения «приемлемого
риска»: при возможной детонации менее 200 т удобрений - 10"4 1/год, более 200 т - 5 • 10"5 1/год, более 1000 т - Ю-5 1/год, более 10000 т - 5 ■ 10"6 1/год, более 100000 т- 10'6 1/год.
Акрилонитрил (цианистый винил) - бесцветная высокотоксичная и взрывоопасная жидкость, используется в химической промышленности для получения синтетических волокон и каучука, несмотря на запрет, может использоваться в качестве ядохимиката при выращивании зерновых, фруктов, табака, а также для уничтожения насекомых в муке. Акрилонитрил перевозится в железнодорожных цистернах автоцистернах, бочках емкостью до 275 л, хранится в наземных вертикальных цилиндрических резервуарах (объемом 50-5000 м3) с коэффициентом заполнения 0,9-0,95 при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, а также в крытых складских помещениях в бочках [222]. Максимальные объемы хранения 1000 тонн.
К высокому классу ответственности следует относить грузоподъемные краны, выполняющие работы по перегрузке бочек с акрилонитрилом, а также краны, стационарно установленные в местах производства, использования и хранения акрилонитрила. Опасными событиями для кранов данной группы будут являться «утечка акрилонитрила», а также «возгорание/деюнация акрилонитрила». «Приемлемый риск» при этом определится в зависимости от количества акрилонитрила, которое может свободно распространиться (взорваться и загореться) в результате появления опасного события. Соответственно, при потенциальном розливе/возгорании до 4 т акрилонитрила «приемлемый риск» составит 10"' 1/год, свыше 4 т - 5 10° 1/год, более 20 I -10"5 1/год, более 200 т — 5 • 10'6 1/год, при превышении допустимого объема хранении в 2 раза (более 2000 т) «приемлемый риск» - 10"6 1/год.
Хлор - удушливый токсичный газ, широко используемый в различных областях. Транспортировку проводят в жидком виде в специальных контейнерах объемом до 800 л или баллонах малого и среднего объема по ГОСТ 949-72 [223, 224]. Максимальное количество хлора в контейнере составляет 1000 кг, баллоны имеют максимальный объем 50 л и вмещают до
62,5 кг. Хлор может перевозиться железнодорожным, автомобильным или речным транспортом. Хлор может храниться в тех же баллонах и контейнерах, а также в специальных резервуарах под давлением. Грузоподъемные краны, осуществляющие перегрузку контейнеров с хлором, а также стационарно установленные около объектов, где используется, хранится или производится хлор, - являются кранами ВКО. Опасным событием для них будет являться «утечка хлора». «Приемлемый риск» назначается в зависимости от потенциального количества свободно разлитого жидкого хлора, которое определяется непосредственно после изучения размещения емкостей с хлором и зоны установки крана, массы транспортируемых кранов грузов и т.п. При потенциальной утечке в результате аварии менее 0,5 тони хлора «приемлемый риск» составит 10'4 1/год, более 0,5 т - 5 ■ 10"5 1/год, более 2,5 тонн - 10"5 1/год, более 25 тонн - 5 • 10"6 1 /год, более 250 -10"6 год.
Оксид этилена — бесцветный чрезвычайно взрыво- и огнеопасный газ, высоко токсичен, широко применяется в химической промышленности. Оксид этилена перевозят в специализированных железнодорожных цистернах [225], а также в баллонах по ГОСТ 949-73. Хранение оксида этилена производится в сферических резервуарах объемом 600-2000 м' при температуре окружающей
•у
среды под давлением 6-18 кгс/см". Максимальные объемы хранения не превышают 583 тонны.
К грузоподъемным крапам ВКО также относятся краны, осуществляющие перегрузку оксида этилена, а также непосредственно установленные возле оборудования, используемого для производства, хранения и использования оксида этилена. Опасным событием для них является «утечка оксида этилена». Величина «приемлемого риска» назначается в зависимости от количества свободно распространившегося оксида этилена и составит: при утечке менее 1 т - 10"4 1/год, более 1 т - 5 ■ 10~5 1/год, более 5т- 10° 1/год, более 50 тонн — 5 • 10" 6 1/год, более 500 т - 10~6 1/год.
Цианистый водород (синильная кислота) - бесцветная летучая токсичная жидкость, используется в качестве сырья в химической промышленности.
Перевозится синильная кислота в стальных толстостенных бочках по ГОСТ 17366-80 [226, 227]. Максимальная вместимость бочек - 275 л, в одну бочку может быть залито не более 189 кг синильной кислоты, максимальная масса, которую можно перевозить на одном автомобиле, - не более 500 кг. Хранение цианистого водорода проводится на специальном складе в бочках и баллонах. Грузоподъемные краны, осуществляющие перегрузку бочек с синильной кислотой, а также стационарно установленные возле объектов с синильной кислотой являются кранами ВКО. Опасным событием по аналогии с ранее рассмотренными кранами высокого класса ответственности являются «утечка цианистого водорода». Значение «приемлемого риска определится в зависимости от потенциального количество разлитого цианистого водорода, а именно менее 400 кг - 10 4 1/год, более 400 кг - 5 ■ 1 0° 1/год, более 2т- 10° 1/год, более 20 т- 5 ■ 10"6 1/год, более 200 т - 10'61/год.
Фтористый водород — бесцветный токсичный газ, используется в химической промышленности для получения алюминия, криолита, фреонов и др. Транспортирование фтористого водорода производят в специальных контейнерах вместимостью 800 л, в железнодорожных цистернах, баллонах, хранят фтористый водород в контейнерах и складах в крытых складах [228]. Краны, занятые при перегрузке фтористого водорода, а также транспортирующие грузы непосредственно в зоне оборудования, содержащего фтористый водород, следует считать кранами ВКО, опасным событием будет являться «утечка фтористого водорода». Величина «приемлемого риска» определяется количеством улетучившегося фтористого водорода: 10"4 1/год при утечке менее 1 т, 5 • 10"5 1/год при утечке более 1 т, 10° 1/год при утечке более 5 т, 5 ■ 10"6 1/год при утечке более 50 т и 10"6 1/год при утечке более 500 т.
Сернистый водород (сероводород) - токсичный бесцветный газ, применяется в химической промышленности при производстве серной кислоты, серы и сульфидов. Сероводород отличается высокой химической активностью, способен разъедать металлические стенки сосудов, поэтому хранение и транспортировка его затруднены [229]. Сероводород перевозят в
железнодорожных и автомобильных цистернах, контейнерах и баллонах, хранится сернистый водород в сферических газгольдерах объемом до 2000 м , максимальные объемы хранения составляют 1728 тонн. Краны, эксплуатирующиеся непосредственно возле объектов, содержащих сероводород, а также осуществляющие транспортирование водорода следует считать кранами ВКО. Опасным событием будет «утечка сернистого водорода», величина «приемлемого риска» зависит от количества сероводорода, попавшего в атмосферу. При утечке до 1 тонны сероводорода «приемлемый риск» составит 10"4 1/год, более 1 т - 5 ■ 10~5 1/год, более 5 т — 10" 5 1/год, более 50 т - 5 • 10~6 1/год, более 500 т - 10'6 1/год.
Диоксид серы — бесцветный токсичный газ, применяется при производстве серной кислоты, его утечки в атмосферу являются одной из причин возникновения «кислотных дождей». Перевозка диоксида серы осуществляется в специальных железнодорожных цистернах, хранение производится также в специальных баллонах. Краны, стационарно установленные в зоне оборудования, содержащего диоксид серы, а также производящие его перегрузку относятся к ВКО. Опасное событие так же, как и для рассмотренных выше кранов, - «утечка диоксида серы». «Приемлемый риск» определяется количеством попавшего в атмосферу диоксида серы: менее 5т- 10"4 1/год, более 5 т - 5 ■ 10° 1/год, более 25 т - 10° 1/год, более 250 т - 5 10"6 1/год, более 2500 т - 10"6 1/год.
Триоксид серы (серный ангидрид) - бесцветная токсичная жидкость, используется при производстве серной кислоты и синтетических красителей. Бурно реагирует с водой с образованием серной кислоты, с паром - с образованием тумана серной кислоты. Транспортируют триоксид серы железнодорожным транспортом в специальных цистернах, стальных баллонах по ГОСТ 949-73, автомобильным транспортом в специальных контейнерах емкостью до 1000 л или тех же баллонах [230]. Хранение серного аш идрида осуществляют в специальных емкостях. Грузоподъемные краны, осуществляющие перегрузку триоксида серы или стационарно установленные
непосредственно возле оборудования, содержащего триоксид серы, являются кранами ВКО, во время работы которых может возникнуть то же опасное событие, что и у рассмотренных выше кранов, - «утечка триоксида серы» Назначим следующую величину «приемлемого риска» в зависимости от размера возможной утечки: менее 1,5 т - 10"4 1 /год, более 1,5 т - 5 • 10° 1/год, более 7,5 т - 10"5 1/год, более 75 т - 5 ■ 10'6 1/год, более 750 т - 10'61/год.
Алкилы свинца представляют собой бесцветные подвижные жидкости, большинство из которых малоустойчиво. Алкилы свинца добавляют к бензину как антидетонационное средство, в результате сгорания топлива алкилы попадают в атмосферу. Алкилы свинца имеют весьма узкое применение и необходимость его транспортировки возникает крайне редко. Крапы, выполняющие операции в непосредственной близости от оборудования, содержащего алкилы свинца, следует считать кранами ВКО, опасным событием для них является «утечка алкилов свинца». Значение «приемлемого риска» в зависимости от количества разлитых алкилов свинца: менее 1 т - 10~4 1/год, более 1 т - 5 ■ 10'5 1/год, более 5т- 10° 1/год, более 50 т - 5 • 10'6 1/год, более 500т- 10'61/год.
Фосген - бесцветный токсичный газ, применяемый при производстве красителей, а также в качестве боевого отравляющего вещества. Особую опасность ему придает тот факт, что от пего не существует антидота (противоядия). Краны, стационарно установленные непосредственно рядом с объектами, содержащими фосген, а также занятые при перегрузке фосгена относятся к кранам ВКО. Опасное событие, связанное с их эксплуатацией, -«утечка фосгена». Величина «приемлемого риска» в зависимости от размера утечки: до 15 кг - 10"4 1/год, более 15 кг - 5 • 10° 1/год, более 75 кг - 10° 1/год, более 750 кг - 5 • 10"6 1/год, более 7,5 т - 10'61/год.
Метилизоцианат - летучая чрезвычайно токсичная жидкость, применяется в химической промышленности при производстве гербицидов и уретанов. С утечкой паров метилизоцианага связана одна из наиболее известных техногенных катастроф, произошедшая в ночь на 3 декабря 1984 в
Бхопале (Индия) и унесшая жизни 3 тыс. человек. Поскольку метилизоцианат имеет сравнительно узкое применение, обычно не требуется его перемещения на большие расстояния, внутри химических производств чаще всего он транспортируется с помощью трубопроводов. Хранится метилизоцианат в специальных резервуарах с системой охлаждения, емкость резервуаров может достигать 55 м3 и выше. Грузоподъемные машины, стационарно установленные в непосредственной близости от объектов, содержащих метилизоцианат, следует считать кранами ВКО, опасным событием для которых является «падение груза на объект, содержащий метилизоцианат, повлекшее за собой его разрушение и утечку метилизоцианата». Размер «прием- лемого риска» зависит от количества разлитого метилизоцианата: до 3 кг - 10"4 1 /год, более 3 кг - 5 ■ 10"5 1 /год, более 15 кг - 10° 1 /год, более 150 кг - 5 • 1 О"6 1 /год, более 1,5 т - 10"6 Угод. Для сравнения, во время аварии в Бхопале произошла утечка более 40 тонн метилизоцианата.
Для кранов, эксплуатирующихся в зоне оборудования, содержащего прочие опасные вещества, или использующихся при перегрузке прочих опасных грузов воспользуемся также данными Федерального Закона о промышленной безопасности [93] и ГОСТ19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка» [94]. В случае, если данные Закона вступают в противоречие с данными стандарта, будем руководствоваться более жесткими рекомендациями.
Согласно [93] опасными промышленными объектами являются объекты, на которых находятся воспламеняющиеся газообразные вещества, способные возгораться при нормальном давлении самостоятельно или в смеси с воздухом, с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении ниже 20°С. ГОСТ 19433-88 [94] дает похожее определение для данного вида опасных грузов, а также дополнительно делит их на группы опасности в зависимости от агрегатного состояния и критической температуры возгорания:
1 — сжатые газы, температура воспламенения которых менее 10 °С;
2 — сжиженные газы, температура воспламенения которых не менее
минус 10°С, по менее 70 °С;
3 - сжиженные газы, температура воспламенения которых не менее 70 °С;
4 — газы, растворенные под давлением;
5 - сжиженные охлажденные газы, транспортируемые под давлением, близким к атмосферному;
6 - вещества в аэрозольной упаковке, вместимостью не менее 1000 см3 и находящиеся под давлением не более 1 МПа (10 кгс/см").
Закон [93] предусматривает классы опасности объектов, в зависимости от количества находящихся там легковоспламеняющихся газов в тоннах:
IV класс - от 1 до 20, III класс - от 20 до 200, II класс - от 200 до 2000, I класс - более 2000.
Для кранов, перемещающих данную категорию грузов, или стационарно установленных непосредственно возле оборудования, содержащего указанные вещества, опасным событием будет являться «возгорание газа», а «приемлемый риск» следует назначать исходя из возможного ущерба, как и для ранее рассмотренных грузов. Поскольку критическая температура характеризует не ущерб от возгорания, а его вероятность, следовательно, группы опасности согласно ГОСТ19433-88 необходимо учитывать непосредственно для определения количественного риска при проведении риск-анализа.
Отдельно стоит заметить, что появление «опасного события» в данном случае связано не только и не столько с возможным разрушением каких-либо конструкций крана, а скорее с возможностью появления искры и одновременной утечки пожароопасного газа. С точки зрения оптимального проектирования это прежде всего оказывает влияние на выбор привода, способа токоподвода, коммутирующих устройств и другого электрооборудования.
Назначим величины «приемлемого риска» в зависимости от классов опасности, предусмотренных [93]: для I класса опасности - 10"6 1/год, для II класса - 5 • 10"6 1/год , для III класса - 10° 1/год, для IV класса — 5 • 10° 1/год, при количестве пожароопасной жидкости менее 1 тонны (ниже IV класса) следует назначить «приемлемый риск» в размере 10° 1/год.
Аналогичным подходом воспользуемся и при определении «приемлемого риска» для следующей группы опасных материалов - горючих жидкостей, находящихся на складах и базах [93], результаты поместим в Табл. 5.
Таблица 5
«Приемлемый риск» возгорания склада горючих жидкостей в зависимости от их количества
Класс опасности согласно [93]
I II III IV
Количество, т >500000 50000-500000 1000-50000 <1000
«Приемлемый риск», Угод 10"6 5 ■ Ю-6 10"5 5 ■ 10"5
Отдельно нормируются классы опасности для объектов, на которых горючие жидкости используются в технологическом процессе или транспортируются по трубопроводу. Аналогичным образом назначим «приемлемый риск» для грузоподъёмных кранов, установленных на описанных выше объектах, в зависимости от классов опасности. Классы опасности также назначаются в зависимости от количества горючих жидкостей на объекте. 11од опасным объектом при этом понимается не территория какой-либо организации или ее подразделения целиком, а определенная замкнутая территория, отвечающая признакам опасных производственных объектов согласно [93]. То есть, условно говоря, опасным производственным объектом является не завод, занимающийся производством горючих жидкостей, а отдельный участок, непосредственно на котором находятся горючие жидкости.
Табл. 6 содержит значения «приемлемого риска» возгорания горючих жидкостей, используемых в технологическом процессе или транспортируемых по трубопроводу.
Таблица 6
«Приемлемый риск» возгорания горючих жидкостей, используемых
в технологическом процессе или транспортируемых _по трубопроводу в зависимости от их количества_
Класс опасности согласно [93]
I II III IV ниже IV
Количество, т >2000 200-2000 20-200 1-20 <1
«Приемлемый риск», 1/год 10"6 5 ■ 10"6 10"5 5 ■ 10"5 Ю-4
Твердые горючие материалы, согласно [94] включают в себя легковоспламеняющиеся твердые вещества, самовозгорающиеся вещества, а также вещества, выделяющие воспламеняющиеся газы при взаимодействии с водой. Первые в свою очередь делятся па: легковоспламеняющиеся твердые вещества, т.е. вещества, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.); саморазлагающиеся вещества, т.е. вещества, склонные к экзотермическому разложению без доступа воздуха, температура разложения которых не более 65°С; твердые вещества, воспламеняющиеся от трения; увлажненные взрывчатые вещества, т.е. увлажненные взрывчатые вещества, способные в увлажненном состоянии воспламениться о) источника зажигания.
Для твердых горючих материалов предусмотрены три степени опасности [94] в соответствии с которыми и будем назначать значения «приемлемого риска» опасного события, которым по-прежнему будем считать «возгорание опасного вещества» (Табл. 7).
Для твердых веществ, возгорающихся от трения, устанавливается низкая степень опасности, для увлажненных взрывчатых веществ - высокая степень опасности, в соответствии с этим для первых «приемлемый риск» рассматриваемого опасного события составит 10"4 1/год, для вторых 10° 1/год.
Таблица 7
Значения «приемлемого риска» возгорания легковоспламеняющихся __твердых веществ в зависимости от степени опасности_
Критерии оценки Степень опасности по [94]
Высокая Средняя Низкая
Воспламеняющие от источника зажигания вещества
Скорость распространения пламени, мм/с не менее - 10 1 для порошков, 2 для прочих.
«Приемлемый риск», 1 / год - 5 ■ 10° 10""
Само разлагающиеся вещества
Температура разложения, °С 23 50 65
«Приемлемый риск», 1 / год 10"5 5-10° ю-4
Самовозгорающиеся вещества разделяются на пирофорные, воспламеняющиеся на воздухе, и вещества, способные самопроизвольно нагреваться до возгорания. Для возгорания пирофорных материалов устанавливается высокая степень опасности, «приемлемый риск» возгорания устанавливаем на уровне 10"5 1/год. Прочие самовозгорающиеся вещества классифицируются по степени опасности в зависимости от результатов испытания материала согласно ГОСТ 12.1.044 - 89 [213], они могут иметь среднюю или низкую степень опасности, в соответствии с которыми должны быть назначен «приемлемый риск», для низкой степени опасности - 10~4 1/год, для средней - 5 ■ 10"5 1 /год.
Для веществ, выделяющих воспламеняющиеся газы при взаимодействии с водой, степень опасности определяется в зависимости от интенсивности газовыделения, «приемлемый риск» возгорания назначим в зависимости от степени опасности (Табл. 8).
Таблица 8
Значения «приемлемого риска» возгорания веществ,
выделяющих воспламеняющиеся газы при взаимодействии с водой
Степень опасности по [94]
Высокая Средняя 11изкая
Интенсивность газовыделения, л/(кг- ч) 600 20 1
«Приемлемый риск», 1 / год 10° 5 • 10° 10"'
Ядовитые вещества делятся Федеральным Законом №116ФЗ [93] на токсичные и высокотоксичные, классификация токсичных и высокотоксичных веществ проводится по следующим критериям.
Токсичные вещества - способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели, при этом средняя смертельная доза токсичных веществ составляет: от 15 миллиграммов на килограмм до 200 миллиграммов на килограмм включительно; при нанесении на кожу от 50 миллиграммов на килограмм до 400 миллиграммов на килограмм включительно; средняя критическая концентрация в воздухе составляет от 0,5 миллиграмма на литр до 2 миллиграммов на литр включительно.
Высокотоксичные вещества - способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели, при этом средняя смертельная доза токсичных веществ составляет: при введении в желудок не более 15 миллиграммов на килограмм; при нанесении па кожу не более 50 миллиграммов на килограмм; средняя критическая концентрация в воздухе не более 0,5 миллиграмма на литр.
Согласно [93] опасные объекты, содержащие токсичные и высокотоксичные вещества, классифицируются по классам опасности в зависимости от количества токсичных и высокотоксичных веществ соответственно.
Согласно ГОСТ 19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка» [94] к 6-му класс опасных грузов относятся ядовитые и инфекционные вещества. По степени опасности ГОСТ предусматривает ядовитые и инфекционные вещества высокой, средней и низкой опасности. Классификация проводится по тем же критериям, что и идентификация токсичных веществ в [93] (Табл. 9).
Таблица 9
Степень опасности ядовитых и инфекционных веществ согласно [94]
Уровень опасности
высокий средний низкий
Среднесмертельная доза при введении в желудок для жидкостей, мг/кг <5 5-50 50-500
Среднесмертельная доза при введении в желудок для твердых веществ, мг/кг <5 5-50 50-200
Среднесмертельная доза при нанесении на кожу, мг/кг <40 40-200 200-1000
Среднесмертельная концентрация при вдыхании, мг/л <0,5 0,5-2 2-10
Опасным событием для грузоподъемных кранов, транспортирующих токсичные и высокотоксичные грузы, а также стационарно установленные на объектах, содержащих указанные вещества, является «утечка данных веществ».
При назначении величины «приемлемого риска» будем учитывать как уровни опасности согласно [94], так и классификационные и количественные признаки классов опасности согласно [93], результаты поместим в Табл. 10.
Согласно [93] окисляющие вещества - поддерживающие горение, вызывающие возгорание и способствующие возгоранию других веществ в результате окислителыю-восстановитсльиой экзотермической реакции. ГОСТ19433-88 [94] дает более подробное определение.
Согласно[94] окисляющие вещества - поддерживающие горение вещества, вызывающие и (или) способствующие возгоранию других веществ в результате экзотермической окислительно-восстановительной реакции с температурой разложения не более 65 °С и (или) временем горения смеси окислителя с органическим веществом не более, чем у смеси эталонного окислителя с органическим веществом. В качестве эталонного органического вещества принимаются дубовые опилки. В том же нормативном акте окисляющие вещества
Таблица 10
«Приемлемый риск» утечки токсичных и высокотоксичных веществ _в зависимости от их количества и уровня опасности_
Количество утекшего вещества, т
Смертельная доза при введении в желудок для жидкостей, мг/кг более 2000 2002000 200-20 2-20 0,1-2 Менее 0,1
<5 10"6 10"6 5-10"6 5-Ю-6 10° 10°
5-15 10"ь 5-Ю"6 510"6 10° 10° 5 • 10°
15-50 5 • 10"6 5 • 10'6 10"3 10° 5 ■ 10° 5-10°
50-200 5 ■ 10"6 10° 10° 5-10° 5-10° ю-4
200-500 10° ю-5 5-10° 5-10° ю-4 ю-
Смертельная доза при введении в желудок для твердых веществ, мг/кг Количество утекшего вещества, т
более 2000 2002000 200-20 2-20 0,1-2 Менее 0,1
<5 ю-6 10"6 5 • 10"6 5-10-6 10-5 10-5
5-15 ю-6 5-Ю"6 5 • 10"6 10° 10° 510°
15-50 5-10"6 5 ■ 10"6 10"5 10"5 510"5 5 • 10°
50-200 5-Ю"6 ю-5 10"5 5-10° 5-10° ю-4
Смертельная доза при нанесении па кожу, мг/кг Количество утекшего вещества, т
более 2000 2002000 200-20 2-20 0,1-2 Менее 0,1
<40 10"6 10"6 5 • 10"6 5 • 10"() 10° 10°
40-50 Ю'6 5 ИГ6 5 ■ 10"6 10'5 10° 5 • 10°
50-200 5-Ю"6 5 • 10"6 10° 10° 5-10° 5-10°
200-400 5-Ю"6 ю-5 10° 5-10° 5-10° ю-4
400-1000 10° 10° 510"5 510"5 10"4 ю-4
Срсдпесмертельная концентрация при вдыхании, мг/л Количество утекшего вещества, т
более 2000 2002000 200-20 2-20 0,1-2 Менее 0,1
<0,5 10"6 5 -10"6 5 ■ 10"6 10° Ю'3 5 10°
0,5-2 5-10"6 5 • 10"6 10"5 Ю-6 5-10° 510°
2-10 510"6 ю-5 10'5 5 ■ 1 О"3 5 • 10° ю-4
классифицируются по степени опасности в зависимости от температуры разложения. [93] классифицирует объекты, содержащие окисляющие вещества по количеству этих веществ, находящихся на объекте. Температура разложения является количественным параметром характеризующим вероятность появления события, соответственно должна учитываться при определении фактической вероятности опасного события. На величину потенциального ущерба температура
разложения влияния не оказывает, поэтому при определении значения «приемлемого риска» температура разложения учитываться не будет. В зависимости от количества окисляющих веществ, непосредственно перегружаемых грузоподъемным краном, или находящихся на объектах, расположенных в непосредственной близости от проектируемого крана, величина «приемлемого риска» составит следующие значения (Табл. 1 1)
Таблица 1 1
«Приемлемый риск» утечки окисляющих веществ в зависимости от их количества и класса опасности
Класс опасности согласно [93]
I II III IV ниже IV
Количество, т >2000 200-2000 20-200 1-20 <1
«Приемлемый риск», 1/год ю-6 5 • 10"6 10"5 5 ■ 10"5 ю-'
Взрывчатые вещества - вещества, способные при определенных видах внешнего воздействия на очень быстрое самораспространяющееся химическое превращение с выделением тепла и образованием газов. Опасным событием для взрывчатых веществ будет их детонация.
ГОСТ 19433-88 [94] разделяет взрывчатые вещества на 6 подклассов:
1 подкласс - взрывчатые вещества, способные взрываться массой,
2 подкласс - взрывчатые вещества, не способные взрываться массой, но обладающие опасностью разбрасывания и существенного повреждения окружающих предметов при взрыве.
3 подкласс - взрывчатые вещества, выделяющие большое количество тепла при горении или загорающиеся один за другим с незначительным эффектом взрыва или разбрасывания.
4 подкласс - взрывчатые вещества, имеющие незначительную опасность взрыва только в случае воспламенения или инициирования. При этом действие взрыва должно ограничиваться упаковкой, также не должно возникать мгновенного взрыва содержимого упаковки.
5 подкласс - взрывчатые вещества с незначительной опасностью взрыва массой, при транспортировании которых не должно происходить инициирования или перехода от горения к детонации.
6 подкласс - нечувствительные к детонации вещества, не взрывающиеся массой и имеющие низкую вероятность случайного инициирования.
«Приемлемый риск» опасного события (детонации) будем назначать в зависимости от подклассов опасности согласно [94], а также в зависимости от количества взрывчатых веществ, которое потенциально может детонировать при проявлении опасного события (Табл. 12).
Таблица 12
«Приемлемый риск» детонации взрывчатых веществ в зависимости
от их подклассов опасности и количества
Подкласс опасности согласно [94]
Количество, т 1 2 3 4 5 6
<500 10"° 5 • 10"6 5' 10'6 10° 10° 5 • 10'5
50-500 5-Ю'6 5-10"6 10~5 10* 5-10° 5 • 10°
<50 5' Ю-6 10° 10° 510° 510° 5-10"'1
Последним нерассмотренным видом опасных веществ, указанных в [93], являются вещества, представляющие опасность для окружающей среды. Данные вещества характеризуются следующими показателями токсичности: средняя смертельная доза при ингаляционном воздействии на рыбу в течение 96 часов не более 10 миллиграммов на литр; средняя концентрация яда, вызывающая определенный эффект при воздействии на дафнии в течение 48 часов, не более 10 миллиграммов на литр; средняя ингибирующая концентрация при воздействии па водоросли в течение 72 часов не более 10 миллиграммов на литр.
Опасным событием при эксплуатации грузоподъемных машин, транспортирующих подобные вещества, а также стационарно установленных непосредственно возле объектов, стационарно установленных рядом с объектами, содержащими подобные вещества. Установим величины «приемлемого риска»
исходя из классов опасности, установленных для объектов, содержащих опасные для окружающей среды вещества, согласно [93] (Табл. 13).
Таблица 13
«Приемлемый риск» утечки опасных для окружающей среды веществ в зависимости от их количества и класса опасности
Класс опасности согласно [93]
I II III IV ниже IV
Количество, т >2000 200-2000 20-200 1-20 <1
«Приемлемый риск», 1/год 10"6 5 • 10"6 ю-5 5 • 10"5 10"4
Согласно ГОСТ 19433-88 [94] к категории опасных грузов также относят: органические пероксиды; радиоактивные материалы; едкие или коррозионные вещества; прочие опасные вещества.
Органические пероксиды - вещества, содержащие функциональную группу Я-О-О-Я, являющиеся термически неустойчивыми веществами, подвергающимися самоускоряющемуся экзотермическому разложению с возможностью взрыва, высокочувствительны к удару или трению. По степени опасности они мо1~ут быть приравнены к окисляющим веществам, значения «приемлемого риска» для их воспламенения могут быть назначены в соответствии с Табл. 11.
Опасными событиями для грузоподъемных машин, выполняющих операции с радиоактивными грузами, является утечка радиации. Утечка радиации может наступать в результате падения груза и последующего разрушения тары. Для кранов, стационарно установленных на атомных объектах, опасное событие может наступать также в результате аварийной ситуации, связанной с падением груза и разрушением объекта, содержащего радиоактивные вещества.
Ранее была приведена классификация фузоподъемных машин согласно [232] по фуппам в зависимости от степени радиоактивности перемещаемых материалов. Степень радиоактивности может быть определена в соответствии с ОСПОРБ 99/2010 «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности" [139] (Табл. 14).
25 Таблица 14
Классификация ядерных отходов по степени активности согласно [232].
Удельная (объёмная) активность, Бк/кг (Бк/л)
Категория . отходов ! Бета-, гамма-излучающие нуклиды Альфа-излучающие нуклиды (исключая трансурановые) Трансурановые радионуклиды
Низкоактивные Менее 106 Менее 105 Менее 104
Средпеактивные От 106 до Ю10 От 105 до 10У От 104 до 108
Высокоактивные > Более 101() Более 109 Более 108
Более широкую классификацию дает Постановление Правительства РФ №1069 от 19 октября 2012 года [233], согласно которому установлены две категории радиоактивных отходов — особые радиоактивные отходы и удаляемые радиоактивные отходы. Особые радиоактивные отходы могут быть получены в результате различных видов деятельности с радиоактивными материалами, ключевой особенностью которых является размещение их в специальных хранилищах радиоактивных отходов. Все прочие радиоактивные отходы согласно [233] следует считать удаляемыми. Вышеупомянутым документом предусмотрено 6 классов удаляемых радиоактивных веществ, классы назначаются по достаточно сложной системе в зависимости от происхождения радиоактивных веществ, регламентированному способу захоронения и удельной активности излучения. Для нас наибольший интерес имеет последний критерий, поскольку именно он в конечном итоге определяет величину потенциального ущерба. Для классификации твердых радиоактивных веществ Постановлением Правительства РФ рассматриваются следующие диапазоны активности в Бк/кг:
11 8
а) для радиоактивных отходов, содержащих тритий: свыше 10 ,- от 10 до 1011,- от 107 до 108,-ниже 107;
б) для радиоактивных отходов, содержащих а-излучающие радионуклиды: свыше 106, от 103 до 106, от 102 до 103, ниже 102;
в) для радиоактивных отходов, содержащих Р-излучающие радионуклиды: свыше 107, от 104 до 107, от 103 до 104, ниже 103;
г) для радиоактивных отходов, содержащих трансурановые радионуклиды:
свыше 105, от 102 до 105, от 10 до 102, ниже 10.
Для жидких радиоактивных отходов предусмотрены следующие диапазоны радиационной активности:
а) для радиоактивных отходов, содержащих тритий: свыше 108, от К)'1 до 108, ниже 104:
б) для радиоактивных отходов, содержащих а-излучающие радионуклиды:
/" л / л
свыше 10 , от 10 до 10 , ниже 10 ;
в) для радиоактивных отходов, содержащих |3-излучающие радионуклиды: свыше 107, от 103 до 107, ниже 103;
г) для радиоактивных отходов, содержащих трансурановые радионуклиды: свыше 105, от 10 до 105, ниже 10.
В соответствии с данными диапазонами назначим величину «приемлемого риска» для утечки радиоактивных веществ (Табл. 15).
Таблица 15
Значения «приемлемого риска» утечки радиоактивных веществ _в зависимости от степени радиационной активности._
Для твердых радиоактивных веществ
Для тритий-содержащих радиоактивных веществ
Радиационная свыше 10й от 108 до 1011 107 до 108 у ниже 10
активность, Бк/кг
Значение
«приемлемого риска», 1/год 10"6 5 • 10"6 ю-5 5 • 10°
Для радиоактивных отходов, содержащих а-излучающие радионуклиды
Радиационная свыше 106 от 103 до 106 102 до 103 ниже 102
активность, Бк/кг
Значение
«приемлемого риска», 1/год Ю'6 5 • 10"6 10° 5 • 10°
Для радиоактивных отходов, содержащих (3-излучающие радионуклиды
Радиационная свыше 107 от 104 до 107 103 до 104 ниже 103
активность, Бк/кг
Значение
«приемлемого риска», 1/год 10"6 5 ■ 10"6 10° 5 ■ 10°
Продолжение Табл. 15
Для радиоактивных отходов, содержащих трансурановые радионуклиды
Радиационная активность, Бк/кг свыше 105 от 102 до 105 10 до 102 ниже 10
Значение «приемлемого риска», 1/год 10"6 5 • 1(Гб 10"5 5 • 10"5
Для жидких радиоактивных веществ
Радиационная активность, Бк/кг свыше 108 от 104 до 108 ниже 104
Для радиоактивных отходов, содержащих а-излучающие радионуклиды
Радиационная активность, Бк/кг свыше 10б от 102 до 106 ниже 102
Значение «приемлемого риска», 1/год 10"6 5 • 10'6 5 • 10"5
Для радиоактивных отходов, содержащих [^-излучающие радионуклиды
Радиационная активность, Бк/кг свыше 107 от 103 до 107 ниже 103
Значение «приемлемого риска», 1/год ю-6 5 • К)'6 5 • 10"5
Для радиоактивных отходов, содержащих трансурановые радионуклиды
Радиационная активность, Бк/кг свыше 105 от 10 до 105 ниже 10
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.