DOI: https://doi.org/10.15802/stp2018/140555

### DETERMINATION OF THE VARIED CONSTRUCTIVE PARAMETERS FOR BALANCING UNITS OF PORTAL CRANES

V. V. Suglobov, S. V. Raksha, K. V. Tkachuk

#### Abstract

Purpose. The research was carried out to improve the design process of the balancing unit for portal crane. In order to achieve the purpose one should: 1) to develop a dynamic and mathematical model that allows describing the movement of balancing unit and the boom system of portal crane, when derricking; 2) to propose the way for determining and the methodology for calculating the array of variable design parameters of balancing units; 3) to calculate the optimal ratio of the beam mounting coordinates for balancing units and to study their influence on the imbalance of the portal crane boom system. Methodology. To determine the kinematic characteristics of the balancing unit links, dynamic and mathematical models, describing the movement of balance beam with counterweight when derricking, have been developed. The task of balancing boom systems of portal cranes is reduced to determining the design parameters of the device, which would provide balancing of the boom system on the entire range of derricking. It was also developed a methodology for calculating the acceptable varying design parameters of balancing units, taking into account the conditions of mobility, assemblability and the requirements for the values of unbalanced boom torque. Findings. Based on mathematical calculations and computer simulation the expediency of using the proposed methodology for determining the design parameters of balancing units has been scientifically substantiated. The developed array of variable data makes it possible to take into account the nature of balancing and optimize the design of counterbalancing devices and boom systems for portal cranes. The authors analyzed the influence of variable parameters on the generally accepted criteria for assessing the quality of the articulated boom system: the system's unbalance, the weight of counterweight, the indices of load and boom unbalanced moments. Originality. For the first time, a methodology for determining an array of variable data has been proposed. It makes it possible to form the array of rational design parameters of balancing units. It was developed a local program for complex optimization synthesis, which makes it possible to determine the optimum ratios of the balance beam coordinates, under which the conditions of balance and quality of the portal crane are satisfied. Practical value. The proposed methodology for determining the array of varying design parameters can be used in the development organizations for designing new and retrofitting the existing balancing units for portal cranes with articulated boom systems. The proposed methodology was tested at the launch of complex optimization synthesis with respect to cranes, the configuration of which ensures assemblability and mobility of the links of all systems.

#### Keywords

portal crane; balancing units; articulated boom system; synthesis; design parameters; balance beam; unbalanced moment

#### Full Text:

PDF (Русский) HTML (Русский)

#### References

Vasilev, F. P. (2011). Metody optimizatsii (Vol. 1-2). Moscow: MCNMO. (in Russian)

Verkhovod, V. P. (2011). Ispolzovanie programmy MathCAD pri sinteze peredatochnykh rychazhnykh mekhanizmov. Teoriya mekhanizmov i mashin, 1(9), 69-76. Retrieved from http://tmm.spbstu.ru/17/verkhovod_17.pdf (in Russian)

Voevoda, A. A., & Troshina, G. V. (2017). The realization of the iterative method of the least squares for the estimation of static object parameters in Matlab environment. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Management, Computer Sciences and Informatics, 1, 28-36. doi: 10.24143/2072-9502-2017-1-28-36 (in Russian)

Lepsheni, I., & Serlin, L. G. (1975). Optimalnyy sintez ustroystva dlya uravnoveshivaniya strelovykh sistem portalnykh kranov. Trudy Leningradskogo politekhnicheskogo instituta: Metallicheskie konstruktsii kranov. Issledovanie konveyerov, 347, 77-84. (in Russian)

Loveykin, V. S., & Palamarchuk, D. A. (2014). The driving forces research in mechanism luffing of boom system. Mining, Construction, Road and Reclamation Machines, 84, 39-45. (in Russian)

Loveikin, V. S., & Romasevych, Y. O. (2017). Rezhymno-parametrychna optymizatsiia tekhnichnykh system. Mashynobuduvannia, 19, 90-95. (in Ukranian)

Misyura, V. P. (1980). Issledovanie i optimalnoe proektirovanie uravnoveshivayushchikh ustroystv strelovykh sistem portalnykh kranov. (Avtoreferat dissertatsii kandidata tekhnicheskikh nauk). Ukrainskiy zaochnyy politekhnicheskiy institute, Kharkov. (in Russian)

Misyura, V. P., & Zhermunskiy, B. I. (1980). Optimalnoe proektirovanie uravnoveshivayushchikh ustroystv strelovykh sistem por-talnykh kranov. Vestnik mashinostroeniya, 7, 41-43. (in Russian)

Burdanov, I. V., Popov, D. V., Krivonos, A. N., & Samusko, V. P. (2015). Modelirovanie dinamicheskogo nagruzheniya datchika ogranichitelya gruzovogo momenta v sharnirno-sochlenennykh strelovykh sistemakh portalnykh kranov s pryamolineynym khobotom. Sovremennye puti razvitiya nauki i obrazovaniya: materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii (Smolensk, July 31, 2015) Smolensk, 126-129. (in Russian)

Nesterov, A. A. (2016). Tekhnologiya lokalnoy razgruzki kornevykh sharnirov strelovykh sistem portalnykh kranov. Hebezeuge und Fördermittel, 4(52), 64-71. Retrieved from http://ptt-journals.net/ wp-content/uploads/2016/12/Pidtt-2016-4-9.pdf (in Russian)

Palamarchuk, D. A. (2013). Optymizatsiia rezhymiv rukhu sharnirno-zchlenovanoi strilovoi systemy krana z horyzon-talnym peremishchenniam vantazhu. (Avtoreferat dysertatsii kandydata tekhnichnykh nauk). Kyivskyi natsionalnyi universytet budivnytstva i arkhitektury, Kyiv. (in Ukranian)

Petukhov, P. Z., Ksyunin, G. P., & Serlin, L. G. (1985). Spetsialnye krany. Moskow: Mashinostroenie. (in Russian)

Gokhberg, M. M. (Ed). (1988). Spravochnik po kranam (Vol. 1-2). Leningrad: Mashinostroenie. (in Russian)

Suglobov, V. V., & Tkachuk, K. V. (2017). Determination of design parameters determination of design parameters of articulated jib systems of portal crane. Science and Transport Progress, 1(67), 156-166. doi: 10.15802/stp2017/92618 (in Russian)

Suhlobov, V. V., Mikhieiev, V. A., & Tkachuk, K. V. (2014). Optymizatsiia konstruktsii strilovykh system i prystroiv vrivnovazhennia portalnykh kraniv. Universitetskaya nauka (Vol. 1-5): tezisy dokladov mezh-dunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii (Mariupol, 20–21 May 2014) Mariupol, 67-68. (in Ukranian)

Tkachuk, K. V. (2017). Obgruntuvannia ratsionalnykh konstruktyvnykh parametriv sharnirno-zchlenovanykh strilovykh system portalnykh kraniv. (Avtoreferat dysertatsii kandydata tekhnichnykh nauk). Ukrainian engineering pedagogics academy, Kharkiv. (in Ukranian)

Clarke, F. (2013). Functional Analysis, Calculus of Variations and Optimal Control. New York: Springer Publisher. doi: 10.1007/978-1-4471-4820-3 (in English)

Keqin, L., & Cuxiang J. (2009). Inverse Design of a New Double-link Luffing Mechanism and Realization on MATLAB. Proceedings of the 3rd ICMEM International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics (October 21-23, 2009) Beijing, P. R. China, 301-304. (in English)

Kolonic, F., Poljugan, A., & Petrovic, I. (2006). Tensor Product Model Transformation-based Controller Design for Gantry Crane Control System – An Application Approach. Acta Polytechnica Hungarica, 3, 4, 95-112. (in English)

Seeler, K. A. (2014). System dynamics: an introduction for mechanical engineers. New York: Springer Publisher. doi: 10.1007/978-1-4614-9152-1 (in English)

Vulfson, I. (2015). Dynamics of cyclic machines. Cham: Springer Publisher. doi: 10.1007/978-3-319-12634-0 (in English)

#### GOST Style Citations

1. Васильев, Ф. П. Методы оптимизации : в 2 кн. / Ф. П. Васильев. – Москва : МЦНМО, 2011.
2. Верховод, В. П. Использование программы MathCAD при синтезе передаточных рычажных механизмов [Электронный ресурс] / В. П. Верховод // Теория механизмов и машин. – 2011. – № 1 (17), т. 9. – С. 69–76. – Режим доступа: http://tmm.spbstu.ru/17/verkhovod_17.pdf – Загл. с экрана. – Проверено : 21.06.2018.
3. Воевода, А. А. Реализация итерационного метода наименьших квадратов для оценивания параметров статических объектов в среде MathLab / А. А. Воевода, Г. В. Трошина // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2017. – № 1. – С. 28–36. doi: 10.24143/2072-9502-2017-1-28-36
4. Лепшени, И. Оптимальный синтез устройства для уравновешивания стреловых систем портальных кранов / И. Лепшени, Л. Г. Серлин // Тр. Ленингр. политехн. ин-та. – Ленинград, 1975. – № 347 : Металлические конструкции кранов. Исследование конвейеров. – С. 77–84.
5. Ловейкин, В. С. Исследование движущих сил в механизме изменения вылета стреловой системы крана / В. С. Ловейкин, Д. А. Паламарчук // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини : зб. наук. пр. / Київ. нац. ун-т буд-ва і архітектури. – Київ, 2014. – № 84. – С. 39–45.
6. Ловейкін, В. С. Режимно-параметрична оптимізація технічних систем / В. С. Ловейкін, Ю. О. Ромасевич // Машинобудування : зб. наук. пр. / Укр. інж.-пед. акад. – Харків, 2017. – № 19. – С. 90–95.
7. Мисюра, В. П. Исследование и оптимальное проектирование уравновешивающих устройств стреловых систем портальных кранов : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.05.05 / Мисюра Василий Петрович ; Укр. заочн. политехн. ин-т. – Харьков, 1980. – 24 с.
8. Мисюра, В. П. Оптимальное проектирование уравновешивающих устройств стреловых систем портальных кранов / В. П. Мисюра, Б. И. Жермунский // Вестник машиностроения. – 1980. – № 7. – С. 41–43.
9. Моделирование динамического нагружения датчика ограничителя грузового момента в шарнирно-сочленённых стреловых системах портальных кранов с прямолинейным хоботом / И. В. Бурданов, Д. В. Попов, А. Н. Кривонос, В. П. Самусько // Современные пути развития науки и образования : материалы науч.-практ. конф. (Смоленск, 31 июля 2015 г.). – Смоленск, 2015. – С. 126–129.
10. Нестеров, А. А. Технология локальной разгрузки корневых шарниров стреловых систем портальных кранов / А. А. Нестеров // Підйомно-транспортна техніка. – 2016. – № 4 (52). – С. 64–71.
11. Паламарчук, Д. А. Оптимізація режимів руху шарнірно-зчленованої стрілової системи крана з горизонтальним переміщенням вантажу : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.05.05 / Паламарчук Дмитро Анатолійович ; Київ. нац. ун-т будівництва і архітектури. – Київ, 2013. – 25 с.
12. Петухов, П. З. Специальные краны / П. З. Петухов, Г. П. Ксюнин, Л. Г. Серлин. – Москва : Машиностроение, 1985. – 248 с.
13. Справочник по кранам : в 2 т. / под общ. ред. М. М. Гохберга. – Ленинград : Машиностроение, 1988. – Т. 2. – 559 с.
14. Суглобов, В. В. Определение конструктивных параметров шарнирно-сочленённых стреловых систем портальных кранов / В. В. Суглобов, Е. В. Ткачук // Наука та прогрес транспорту. – 2017. – № 1 (67). – С. 156–166. doi: 10.15802/stp2017/92618
15. Суглобов, В. В. Оптимізація конструкції стрілових систем і пристроїв врівноваження портальних кранів / В. В. Суглобов, В. А. Міхєєв, К. В. Ткачук // Университетская наука – 2014 : в 5 т. : тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 20–21 мая 2014 г.). – Мариуполь, 2014. – Т. 3. – С. 67–68.
16. Ткачук, К. В. Обґрунтування раціональних конструктивних параметрів шарнірно-зчленованих стрілових систем портальних кранів : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.05.05 / Ткачук Катерина Володимирівна ; Укр. інж.-пед. акад. – Харків, 2017. – 23 с.
17. Clarke, F. Functional Analysis, Calculus of Variations and Optimal Control / F. Clarke. – London : Springer, 2013. – 591 p. doi: 10.1007/978-1-4471-4820-3
18. Keqin, L. Inverse Design of a New Double-link Luffing Mechanism and Realization on MATLAB / L. Keqin, J. Cuxiang // Proc. of the 3rd ICMEM Intern. Conf. on Mechanical Engineering and Mechanics (21.10–23.10.2009). – Beijing, China, 2009. – Р. 301–304.
19. Kolonic, F. Tensor Product Model Transformation-based Controller Design for Gantry Crane Control System – An Application Approach / F. Kolonic, A. Poljugan, I. Petrovic // Acta Polytechnica Hungarica. – 2006. – Vol. 3, No. 4. – Р. 95–112.
20. Mauri, K. Intelligent container posirioning helps [Электронный ресурс] / K. Mauri // Konecranes Magazine. – 2012. – № 1. – Р. 22–27. – Режим доступа: http://www.konecranes.com/sites/default/files/download/
sagt.pdf – Загл. с экрана. – Проверено : 21.06.2018.
21. Seeler, K. A. System dynamics: an introduction for mechanical engineers / K. A. Seeler. – New York : Springer, 2014. – 667 p. doi: 10.1007/978-1-4614-9152-1
22. Vulfson, I. Dynamics of cyclic machines / І. Vulfson. – Cham : Springer Publ., 2015. – 390 p. doi: 10.1007/978-3-319-12634-0