Моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана на основе сетевой имитационной модели

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ НАГРУЖЕННОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ МОСТОВОГО КРАНА НА ОСНОВЕ СЕТЕВОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

И.А. Лагерев

Аннотация

нагруженность металлоконструкция мостовой кран

Предложена методика моделирования факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана общего назначения на основе сетевых имитационных моделей, базирующаяся на достоверном учете условий его работы и особенностей производственного процесса. Показано применение методики при выполнении численного моделирования нагруженности металлоконструкции мостового крана, обслуживающего производство железобетонных ферм.

Ключевые слова: мостовой кран, нагруженность, факторы нагруженности, имитационное моделирование, система массового обслуживания, компьютерное моделирование.

Основная часть

Ранее была рассмотрена методика моделирования факторов нагруженности для случая выполнения мостовым краном множества различных грузовых операций, когда места подъема и опускания грузов рассредоточены по всему обслуживаемому участку, а порядок обслуживания грузов жестко не задан [1]. К главным факторам нагруженности можно отнести: массу поднимаемых грузов; число грузов за исследуемый период времени; последовательность выполнения краном технологических операций; величины перемещений грузовой тележки и моста крана. В данной статье предложена методика имитационного моделирования факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана, обслуживающего производственный процесс с четко заданной технологией. В этом случае кран обслуживает рабочие зоны цеха в определенном порядке, а время выполнения перегрузочных операций строго определяется временем выполнения производственных процессов. Примером производственного процесса с четко заданной технологией является производство железобетонных строительных изделий. Предложенная методика также применима при выполнении краном одной или нескольких типовых перегрузочных операций (например, перегрузка контейнеров с автомобилей на железнодорожные платформы).

При моделировании факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана, обслуживающего производственный процесс с четко заданной технологией, строятся две взаимосвязанные модели: сетевая имитационная модель (СИМ) и модель производственного участка. Модель участка, построенная по известному алгоритму [1], служит для наглядного описания положения отдельных рабочих зон и параметров грузовых операций, выполняемых мостовым краном. В конечном счете с помощью этой модели определяются конкретные значения факторов нагруженности. Сетевая имитационная модель [2] учитывает особенности производственного процесса и используется для определения порядка выполнения грузовых операций. Каждому элементу сетевой имитационной модели соответствует один или несколько элементов модели производственного участка.

Значения факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана в определенный момент времени полностью определяются текущим состоянием СИМ. Причина перехода системы к новому состоянию называется событием. Различают основные и вспомогательные события. Наступление основного события всегда вызывает переход системы в новое состояние. Вспомогательные события являются следствием возникновения основных событий и наступают с ними в один момент времени. Таким образом, процесс функционирования системы можно представить как упорядоченную во времени последовательность основных событий, происходящих в системе и переводящих ее из одного состояния в другое. Для поддержания хронологической последовательности основных событий при численном исследовании СИМ необходимо использовать системный таймер.

При имитационном моделировании различают три вида времени: время реальной системы, в котором функционирует моделируемая система; модельное время, которое является идеализацией времени реальной системы; реальное время, необходимое для численного моделирования. Наибольший интерес представляет модельное время.

В процессе моделирования изменяется модельное время. Оно чаще всего принимается дискретным, измеряемым в тактах (Дt). Время изменяется после того, как закончена имитация очередной группы событий, относящихся к текущему моменту времени t. Произошедшие в течение одного такта события считаются наступившими одновременно, несмотря на то, что реальное время их наступления может не совпадать. Для устранения этого недостатка и ускорения процесса моделирования возможна коррекция модельного времени с переменным шагом (). В этом случае после отработки всех событий в текущий момент времени модельное время сдвигается вперед до момента наступления ближайшего по времени события. При таком подходе события отрабатываются в те моменты времени, в которые они возникают в реальной системе.

Моделирование завершается при достижении максимального модельного времени Т. Иногда моделирование продолжается до тех пор, пока не будут обслужены все заявки, поступившие в систему до наступления времени Т. После этого обрабатываются накопленные данные.

Сетевые имитационные модели строятся из элементарных частей: источников входных заявок, статических ресурсов (устройств и накопителей) и управляющих элементов (узлов) [2]. Графическое изображение типовых элементов СИМ показано на рис. 1.

а) б) в) г)

Рис. 1 Графическое изображение типовых элементов СИМ: а - источник заявки; б - устройство; в - накопитель; г - узел

Источник заявки (рис. 1 а) - входное звено СИМ, вычисляющее время появления заявки и значения параметров этой заявки. Заявкой называется объект, поступающий в систему извне и движущийся по её элементам согласно определенным правилам. Совокупность этих правил называется дисциплиной обслуживания. В нашем случае под заявкой понимается требование на изготовление с помощью исследуемой производственной линии одной единицы конечного продукта (одного изделия, одной тонны продукта) с заданными параметрами. Параметры заявки определяются по заданному закону распределения или назначаются согласно установленному правилу. Параметры заявки могут зависеть от параметров уже поступивших в систему заявок, в этом случае источник заявки называется зависимым.

Устройство (рис. 1 б) - основной исполнительный элемент СИМ, видоизменяющий значения параметров и определяющий длительность обслуживания заявок. Устройство генерирует случайное значение времени обслуживания заявки согласно закону распределения, по установленному правилу или в зависимости от наступивших в других частях СИМ событий. Устройство также управляет очередями на своих входах.

Накопитель (рис. 1 в) - элемент СИМ, хранящий еще не обработанные заявки, поступившие на устройство. Накопитель позволяет определять объем ресурсов, требуемых для хранения ожидающих заявок.

Узел (рис. 1 г) - элемент СИМ, определяющий порядок и направление движения заявки по системе от одного устройства к другому согласно принятой дисциплине обслуживания. Выполняет связующие, управляющие и вспомогательные функции в имитационной модели (например, служит для выбора направлений движения заявок или разделения
заявок на части).

Для имитационного моделирования факторов нагруженности металлоконструкций мостовых кранов, обслуживающих производственные процессы с четко заданной технологией, предложены специальные элементы сетевых имитационных моделей (табл. 1). Данные элементы могут комбинироваться.

Таблица 1

Специальные элементы СИМ для исследования факторов нагруженности мостовых кранов

После построения модели выполняется численное моделирование процесса функционирования исследуемой системы с помощью ЭВМ. Рассмотрим общий алгоритм имитационного моделирования (рис. 2). Процесс начинается с генерации заявок, поступающих в систему в течение всего времени моделирования. Информация о поступлении заявок заносится в список событий, в котором записи упорядочены по увеличению времени наступления.

Рис. 2 Блок-схема алгоритма моделирования

В процессе моделирования модельное время увеличивается. На каждом такте из списка событий выбираются события, относящиеся к текущему времени. Далее просматривается сетевая модель и устанавливается место нахождения заявок, с которыми связаны текущие события. Затем заявки продвигаются по системе: передаются на обслуживание в устройства или на ожидание в накопители; освобождают устройства или накопители; перенаправляются узлами согласно заданной дисциплине обслуживания; покидают систему. После обработки всех событий прогнозируется наступление событий, связанных с текущими изменениями системы. Данные о будущих событиях заносятся в список событий. Указанная последовательность действий повторяется на новом такте.

Блок-схема алгоритма обслуживания заявки на устройстве сетевой имитационной модели приведена на рис. 3.

После поступления заявки на устройство генерируется событие «Устройство занято». Определяется время обслуживания, и генерируется событие «Устройство свободно», которое наступит по истечении времени обслуживания. Если с данным устройством связаны грузовые операции, описываемые моделью участка, и кран свободен, то для всех грузовых операций вычисляются факторы нагруженности. Если в текущий момент времени мостовой кран занят обслуживанием грузовых операций другого устройства, необходимо дождаться его освобождения. При этом время обслуживания заявки на данном устройстве увеличивается на величину ожидания (корректируется).

Рис. 3 Блок-схема алгоритма обслуживания заявки

На основе представленной методики разработана компьютерная программа «Технологический процесс - СМО». После построения сетевой имитационной модели обслуживаемого краном участка моделируются значения факторов нагруженности его металлоконструкции. Каждому типу компонента имитационной модели в программе соответствует определенная процедура. Алгоритм численного моделирования предусматривает упорядоченное обращение к этим процедурам, отражающим поведение моделируемой системы.

В программе реализуется событийный метод организации вычислений. Сущность событийного метода заключается в отслеживании на модели последовательности событий в том же порядке, в каком они происходили бы в реальной системе. Вычисления выполняют только для тех элементов сетевой модели, на входах которых на этом такте произошли изменения.

Применим разработанную методику для исследования нагруженности металлоконструкции мостового крана, обслуживающего производство стендовым способом напряженных железобетонных строительных ферм [3]. На производственном участке ООО «Завод ЖБИ-2» (рис. 4) установлены два мостовых крана грузоподъемностью 20,0 т с пролетом 22,5 м. Каждый из них обслуживает половину цеха. Краны выполняют одинаковые перегрузочные операции.

Рис. 4 Схема производственного участка: 1 - зона складирования каркасов и крышек камеры; 2, 10 - механизированная установка ФСМ 18 IV-6П-6/7П; 3 - бетоноукладчик; 4 - гидродомкрат ДГС-63-315; 5, 8 - механизированная установка ФСМ 24 III-6П-7/8П; 6 - бетоновозная эстакада; 7 - насосная станция НСП-14; 9 - траверса; 11 - тележка-прицеп; 12 - самоходная тележка; 13 - кантователь ферм

На рис. 5 показана модель производственного участка, построенная на основе его схемы (рис. 4) по предложенному ранее алгоритму [1]. В этой модели отражены все производственные зоны, обслуживаемые мостовым краном. Параметры грузовых операций приведены в табл. 2.

Рис. 5 Модель производственного участка: 1 - зона разгрузки внутризаводского транспорта; 2 - зона складирования каркасов и крышек камеры; 3, 4 - зона изготовления ферм пролетом 18 м; 5-8 - зона изготовления ферм пролетом 24 м; 9 - подача бетона на участок; 10 - зона загрузки бетоноукладчика; 11 - зона хранения траверсы для работы с готовыми фермами

Для построения сетевой имитационной модели исследуемой производственной линии рассмотрим основные технологические операции изготовления железобетонных ферм и связанные с ними технологические операции мостового крана (табл. 2). В табл. 2 также указаны массы транспортируемых грузов; количество грузов на одну ферму; рабочие зоны, обслуживаемые краном на каждом этапе технологического процесса.

Таблица 2

Основные технологические операции при изготовлении железобетонных ферм

На рис. 6 показана сетевая имитационная модель участка по производству железобетонных ферм. Цифрами в верхнем ряду указаны номера технологических операций согласно табл. 2. Наличие рядом с числом символа (К) означает необходимость использования крана при обслуживании заявки на устройстве. Цифрами в окружностях отмечены номера механизированных установок по производству ферм согласно рис. 5.

Рис. 6 Сетевая имитационная модель участка по производству железобетонных ферм

Результаты имитационного моделирования факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана, обслуживающего производство железобетонных ферм, приведены в листинге. В систему одновременно поступили 6 заявок на изготовление двух ферм пролетом 18 м и четырех ферм пролетом 24 м.

Листинг

Результаты моделирования факторов нагруженности

По данным листинга видно, что построенная имитационная модель участка по изготовлению железобетонных ферм позволяет учитывать не только порядок выполнения грузовых операций согласно заданной технологии, но и параллельность отдельных технологических процессов. Например, первые операции в основном связаны с разгрузкой арматурных каркасов. Операцией №40 заканчивается подготовка механизированной установки №3 к бетонированию фермы. Однако само бетонирование начинается с операции №78, так как из-за задержки на окончательное натяжение арматуры кран вновь уходит на разгрузку арматурных каркасов. В результате обработки 6 поступивших заявок кран совершил 186 грузовых операций, что примерно соответствует среднесуточной загрузке.

Результатом однократной симуляции модели на ЭВМ является одна частная реализация сочетаний факторов нагруженности. Многократно повторяя численный эксперимент, можно оценить статистические характеристики и построить законы распределения факторов нагруженности. Полученные данные о факторах нагруженности предназначены для моделирования динамической нагруженности металлоконструкции мостового крана. Этому вопросу будут посвящены дальнейшие исследования.

Список литературы

1. Лагерев, И.А. Имитационное моделирование факторов нагруженности металлоконструкции мостового крана / И.А. Лагерев // Вестн. БГТУ. 2009. №4. С. 65-70.

2. Норенков, И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии / И.П. Норенков, П.К. Кузьмик. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 320 с.

3. Фермы железобетонные. Технические условия: ГОСТ 20213-89. Взамен ГОСТ 20213-74; введ. 1990-01-01.

4. Бердичевский, Г.И. Производство железобетонных ферм / Г.И. Бердичевский, Л.А. Волков, Ю.В. Волконский, В.А. Клевцов. М.: Изд-во лит. по строительству, 1968. 189 с.

Размещено на Allbest.ru