Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности работы рельсового пути под мостовыми кранами 8
1.1. Рельсы для мостовых кранов 8
1.2. Классификация подкрановых систем с учетом их долговечности 14
1.3. Крепление рельсов к подкрановым балкам 18
1.4. Нагрузки, действующие на рельсовый путь и напряжения, возникающие в рельсах 23
1.5. Тенденции разв'ития подкрановых балок 26
ГЛАВА 2. Разработка сортамента эффективных крановых арочных рельсов 30
2.1. Расчет эллиптического рельса ЭКР-140 34
2.2. Расчет рельса изготовленного по параболе ПКР-140 39
2.3. Сортамент крановых арочных рельсов и сравнение с аналогичными крановыми рельсами 43
Выводы по главе 2 47
ГЛАВА 3. Определение напряженного состояние трехглавого арочного кранового рельса пкр-численным методом 48
3.1. Расчетная схема арочного рельса 48
3.2. Сравнение распределения напряжений в арочном рельсе (ПКР-100) и обычном крановом рельсе (КР-100) 50
3.3. Анализ напряженно-деформированного состояния арочного рельса (ПКР-100) в сравнении с крановым рельсом (КР-100) 56
Выводы по главе 3 58
ГЛАВА 4. Применение арочного кранового рельса в подкрановых конструкциях 59
4.1. Разработка рельсобалочной конструкции 59
4.1.1 Особенности методики расчета рельсобалочной конструкции 62
4.1.2 Методика определения локальных напряжений в стенке... 67
4.2. Восстановление работоспособности подкрановой балки по средством арочного рельса 67
4.2.1. Особенности методики расчета подкрановой конструкции, восстановленной арочным рельсом 68
4.2.2. Особенности методики расчета на выносливость зоны сварного соединения верхнего пояса и стенки двутавровой подкрановой балки 71
4.3. Восстановление работоспособности подкрановой балки по средством арочного рельса 77
4.3.1. Составление сортамента на сборочный элемент 78
4.3.2. Особенности методики конструирования и расчета подкрановой балки с арочным рельсом и сборочным элементом 80
4.3.3. Способ восстановления работоспособности подкранового пути с подкрановыми балками, поврежденными усталостными трещинами 85
Выводы по главе 4 86
ГЛАВА 5. Возможности дальнейшего снижения материалоемкости подкрановой балки 87
5.1. Влияние наклона стенки на материалоемкость балки 87
5.2. Совершенствование решетчатых подкрановых ферм 99
5.3. Повышение долговечности посредством упругого крепления рельсов 105
5.4. Предотвращения перегрузки концевых балок мостовых
кранов и подкрановых конструкций 109
Выводы по главе 5 Ш
Основные результаты и выводы 113
Список литературы 166
- Классификация подкрановых систем с учетом их долговечности
- Сортамент крановых арочных рельсов и сравнение с аналогичными крановыми рельсами
- Сравнение распределения напряжений в арочном рельсе (ПКР-100) и обычном крановом рельсе (КР-100)
- Восстановление работоспособности подкрановой балки по средством арочного рельса
Классификация подкрановых систем с учетом их долговечности
Характер воздействия колес и упругие свойства пути определяют очертания поперечного сечения, массу и свойства материала рельса. Под действием колесных нагрузок закрепленный на подкрановой балке рельс испытывает, поперечный (вертикальный и горизонтальный) изгиб, кручение и продольную деформацию. Кроме того, рельс подвержен местным деформациям в зоне касания колеса и в местах резкого изменения формы сечения (переходы от головки к шейке и от шейке к подошве). В нем возникают внутренние напряжения (общие и местные). Проекции суммы напряжений представляют собой продольную и поперечные силы (вертикальную и горизонтальную).
Изгибающие моменты в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также крутящий момент вызывает напряжения от изгиба. Эти усилия воспринимаются поперечным сечением - двутавром с мощной верхней полкой в виде головки, увеличивающей сопротивляемость рельса износу и контактным воздействиям. Однако, в зависимости от величины и характера действия нагрузок форма поперечного сечения рельса меняется.
Рельсы для мостовых кранов обычно относят к одной к одной из следующих групп: крановые типов КР100, КР120, КР140 (рис 1.1.а); железнодорожные типов Р65, Р75 (рис. 1.1.6) или остряковые ОР65, ОР75 (рис. 1.1.е) профили, полученные при неполном прокате железнодорожных (рис. 1.1.в) или крановых рельсов; простейшие профили с сечением в форме прямоугольника (рис. 1.1 .д); трапеции колоколобразного очертания (рис. 1.1 .е)..
Рельсы в виде простейших профилей изготовляют по специальным техническим условиям. Их укладывают в случае затруднений с поставками рельсовых профилей. Крановые рельсы изготовляют из конверторной стали марки К63 с временным сопротивлением не менее 750 МПа и твердостью не менее 207 НВ. Железнодорожные рельсы прокатывают из мартеновской или конверторной стали марок М76 и М72 с временным сопротивлением не менее 900 МПа и твердости поверхности катания после термообработки не менее 300 НВ.
Подошва рельсов также во многих случаях слишком узка и не обеспечивает надежного закрепления рельса от опрокидывания. Поэтому очевидно, что возмоэюности для совершенствования конструктивной формы сечения рельса имеются.
Изнашивание рельсов при эксплуатации - неизбежный процесс. В нормальных условиях он происходит не равномерно по длине цеха. Наиболее интенсивно износ происходит, например, у мартеновских печей или в зонах нагрузки готового проката, т.е. там, где циклы накапливаются быстрее. В других случаях износ может характеризоваться появлением поверхностных и внутренних дефектов и повреждений, вызывающих преждевременный одиночный выход рельсов из эксплуатации. Под воздействием знакопеременных нагрузок усталостные трещины в рельсах начинаются чаще от каких-либо внешних дефектов. Особенно быстро изнашиваются и разрушаются стыки рельсов.
Соединение рельсов в сплошную нить осуществляются сваркой или скреплениями. Сварка позволяет получить непрерывную поверхность катания. Однако из-за технологических трудностей часто невозможно обеспечить необходимое качество сварки и поэтому рельсовые скрепления наиболее часто применяются. При этом рельсы соединяются стыковыми накладками, сжимающими посредством болтов рельсовые концы (рис.1.2.).
Соединение стыковыми накладками: 1- стыковая накладка; 2-болт На выносливость при циклических нагрузках в первую очередь влияют. концентраторы напряжений. Особенно чувствительны к ним высокоуглеродистые стали, при этом концентраторы в виде неметаллических включений, дефектов структуры и т.д. имеют решающее значение. Появление контактно-усталостных повреждений развивается более интенсивно при высоких локальных контактных напряжениях и наблюдается в головке рельса, при неправильном выборе его, особенно в местах где головка рельса имеет значительный боковой износ от реборд.
Особенно быстро развиваются дефекты в рельсах тяжелых типов, уложенных на подкрановой балке без амортизирующих элементов и надежного соединения в стыках. Процесс развития усталостных трещин имеет две стадии: зарождения (микроповреждение) и ее развитие (макроповреждение).
Первая стадия возникает в результате сочетания неблагоприятных условий, характеризующихся объемом и свойствами неметаллических включений в сочетании с максимальными касательными напряжениями. Трещина развивается в течение длительного времени (рис.1.3.), существенного изменения площади поперечного сечения не происходит. Установлено, что площадь повреждения в зоне эпицентров не превышает 5 мм2. [55].
Вторая стадия - макроразрушение рельсовой стали протекает быстро и находится в зависимости от интенсивности усталостных процессов, т.е. от числа повторений напряжений и характеристик циклов нагружений. Распространение контактно-усталостной трещины происходит до разделения рельса на две части.
Сортамент крановых арочных рельсов и сравнение с аналогичными крановыми рельсами
Расчет производится путем разбиения рельса на конечные элементы и нахождения напряжений, возникающих в рельсе методом конечных элементов. Результаты расчета арочного рельса получены по программе PLZ [52].
Исследование конструкции в соответствии с программой проводилось на основе численного эксперимента. В данной главе рассматриваются результаты расчета арочного рельса. Целью численного эксперимента являлось определение качественной картины напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции при центральном нагружении. Расчет производился при рассмотрении плоского напряженного состояния рельса, закрепленного жестко на основании.
Разработанная расчетная схема модулирует работу рельса при движении мостового крана по рельсу. Принцип построения расчетной схемы являлся выбор формы и размеров, и соответственно количества конечных элементов, а также введения необходимых связей. При расчете было сделано ряд упрощений в расчетной схеме т.е. основание для рельса принято жесткое хотя в истинной работе рельс работает как балка на упругом основании. Расчетная схема и разбиение на конечные элементы показано на рис. 3.1.,3.2.,3.3.
Для сравнения результатов и проверки правильности выбранной расчетной схемы произведен расчет как параболического ПКР-100 так и кранового рельсов КР-100, хотя действующие нормы рекомендуют использовать при кране грузоподъемностью 50 т. рельс КР-80, хотя при проверке прочности верхней зоны балки при локальных воздействиях и при
При оценке характера распределения нормальных напряжений ах целесообразно отметить следующие особенности. Максимальные напряжения возникают в головке рельса. Максимальные сжимающие напряжения возникают в верхней части центральной главы и принимают значения 120 МПа. Соответственно максимальные растягивающие напряжения возникают под центральной главой рельса и принимают значения 120 МПа. В стенке рельса возникают незначительные сжимающие напряжения равные по величине 0.76 МПа. В подошве рельса возникают сжимающие напряжения равные 27 МПа.
При рассмотрении кранового рельса КР-100 максимальные сжимающие напряжения возникают в верхней части центральной главы и принимают значения бЗМПа. В стенке рельса возникают сжимающие напряжения равные по величине 220МПа больше чем в арочном рельсе в 289 раз! В подошве рельса возникают сжимающие напряжения равные ІЗОМПа больше чем в арочном рельсе в 4.8раза!
Характер распределения нормальных напряжений ау показывает, что напряженное состояние в центральной главе минимальны. Основные напряжения сжимающие возникают в стенке рельса, и принимают значения до -180МПа меньше чем в обычном рельсе в 2.06 раза! В подошве рельса да-9.2 МПа. меньше чем в обычном рельсе в 21.7раза! При рассмотрении кранового рельса КР-100 максимальные напряжения возникают в стенке рельса и принимают значения до -372МПа. В подошве рельса до -200МПа.
Получена информация о приблизительном распределении напряженно-деформированного состояния арочного рельса при вертикальной нагрузке. Полученная информация может быть использована как основа для разработки метода расчета.
Сравнивая напряжения в крановом рельсе КР-100, полученные используя программное средство и полученные в процессе испытаний (см. табл. 1.1.) можно сделать вывод о соответствии в результатах, что дает право считать результаты расчета достоверными.
В данной главе разработаны новые рельсобалочные конструкции основой которых являются арочные рельсы, а также показаны эффективные способы восстановления подкрановых балок при выходе их из рабочего состояния и дана методика расчета рельсобалочных конструкций.
Очевидно, что замкнутые трубчатые профили гораздо более эффективны по сравнению с открытыми профилями. Большой эффект виден при работе конструкции на кручение. Момент инерции на кручение у конструкций с замкнутым профилем (см. приложение) в 1550 раз превосходит у аналогичных с открытым профилем. Поэтому далее рассмотрена рельсобалочная конструкция, выполненная в виде замкнутого трубчатого профиля.
В настоящее время при расчете подкрановых конструкций отдельно рассчитывают рельс и подкрановую балку из-за того, что невозможно обеспечить сдвигоустойчивость рельса, хотя упругим это крепление назвать нельзя. Предлагаемый рельс и подкрановая балка представляют собой сдви-гоустойчивое соединение, объединяющее рельс и подкрановую балку в единое целое, что дает значительное увеличение момента сопротивления Wx, а следовательно и экономию материала!
Известна низкая долговечность и ремонтопригодность традиционных подкрановых балок [33, с. 149]. Усталостные разрушения в них концентрируются в верхней зоне подверженной динамическим подвижным сосредоточенным силам передаваемым от колес крана.
Сравнение распределения напряжений в арочном рельсе (ПКР-100) и обычном крановом рельсе (КР-100)
В настоящее время, поврежденные усталостные трещинами подкрановые балки демонтируют и заменяют новым, а демонтированные отправляют в переплавку. В подкрановой балке повреждены обычно только верхняя часть стенки прилегающая к верхнему поясу, поэтому следует отправлять в переплавку не всю балку, а только поврежденную ее часть.
Разработанные арочные трехглавые рельсы и желобчатые элементы могут полностью восстановить утраченную работоспособность подкрановой балки.
Покажем эффективность предложенного способа восстановления работоспособности на конкретном примере.
Предположим, что балки подкранового пути рассчитанные в учебнике проф. К.К. Муханова [33] повреждены усталостными трещинами (см. рис.) и дальнейшая эксплуатация их запрещена. Для восстановления работоспособности подкранового пути изготовим, например, три новые подкрановые балки, заменим ими вышедшие из строя балки, восстановим работоспособность демонтированных балок, и затем используем их для замены следующих трех балок. Таким образом, последовательно все балки в цехе будут заменены.
Расчеты, приведенные в данной главе, показали о преимуществах использования арочного рельса в подкрановых конструкциях. Экономия материала достигает от 12-27%. Кроме того, повышается долговечность конструкции, так как динамическая составляющая напряжений опускается ниже предела выносливости и появление усталостных трещин в релъсобалоч-ных конструкциях исключено. Локальные напряжения в стенке подкрановой балки, возникающие при кручении верхнего пояса, близки к нулю, а локальные напряжения при центральном сжатии уменьшены в несколько раз. То есть обеспечена работа рельсо-подкрановой конструкции в зоне неограниченной долговечности
Традиционный вариант подкрановой конструкции представляет собой двутавровую балку с рельсом над вертикальной стенкой и горизонтальную тормозную балку. Подкрановая и тормозная балки соединены друг с другом в несимметричное сечение и опираются на колонну [32,с. 186]. Считается, [23,с,7,п4.5], что вертикально ориентированная балка воспринимает вертикальные воздействия Р от кранов, а тормозная балка воспринимает горизонтальные воздействия Т определяемые при тяжелом режиме работы (8К-7К) как
Верхний пояс учитывается в составе сечения как одной, так и другой балки и неблагоприятным для него случаем является сжатие от изгиба как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Таким образом, он оказывается более напряженным. Верхний пояс оказывается в 1.25-1.6 раза более металлоемким, чем нижний [50,с.73], а в целом металлоемкость балки увеличивается на 15-20%
Традиционно при проектировании и расчете пренебрегают тем, что соединенные друг с другом вертикальная и горизонтальная балки представляют собой незамкнутый тонкостенный стержень воспринимающий, как вертикальные Р, так и горизонтальные Т воздействия. Подкрановая балка рассчитывается [13,с.377] на вертикально действующие нагрузки, а тормозная - на горизонтальные нагрузки. Это приводит к увеличению материалоемкости.
Фактически конструкция, состоящая из двух балок работает, как единый тонкостенный стержень [13,с.483..494] несимметричного сечения. Главные оси у такого стержня повернуты на некоторый угол по отноше 88 нию к горизонтали [33,с.163,рис IV. 14], поэтому плоскость действия максимального изгибающего момента и плоскость максимального момента инерции при изгибе не совпадают. Следовательно, несимметричное сечение имеет не оптимальную форму и этот факт приводит к дополнительному расходу металла (на 15-20%).
Второй недостаток традиционного решения - преждевременное разрушение от усталости [33,с.133]. Разрушение происходит из-за отсутствия амортизирующих устройств, как в мостовом кране, так и в подкрановых конструкциях [53] от чрезмерно высокой концентрации напряжений в жестких узлах сопряжения, достигающей четырех единиц [4,с.138,п.10].
Устранив данные недостатки, молено добиться не только повышения несущей способности и долговечности конструкции, но и понизить ее материалоемкость! Конструирование и методика расчета балки с наклонной стенкой. Несимметричность сечения конструкции приводит к снижению прочностных свойств сечения. Несущую способность такого сечения нами предложено [43] повышать следующим способом.
Трансформируя вертикально ориентированный двутавр в наклонный, обеспечиваем благоприятную ориентацию его главных осей без увеличения расхода материала, то есть плоскость действия максимального изгибающего момента Мтах совмещаем с плоскостью максимального момента инерции Jmax сечения.
Обычным образом [33, с.254] назначаем сечение подкрановой и тормозной балок, а затем трансформируем вертикальный двутавр в наклонный в такой последовательности: размещаем полюс "Оо" в центре тяжести верхнего пояса (см. рис. 5.1.1.); проводим через этот центр оси координат: горизонтальную х направо и вертикальную у вниз; В соответствии с формулами сопротивления материалов центробежный момент инерции Jxy всего сечения равен нулю.
Трансформируем подкрановую балку, поворачивая ее стенку из полюса "Оо" на угол 0 в сторону тормозной балки, превращая вертикальный двутавр в наклонный до тех пор, пока центробежный момент инерции всего сечения не станет равным нулю JXY = 0. В этот момент главные оси хиу примут соответственно горизонтальную и вертикальную ориентацию, а сечение станет оптимальным по расходу материала. Этим достигнуто совмещение плоскости действия максимального изгибающего момента с плоскостью максимального момента инерции Jmax и, следовательно, достигнута максимальная прочность сечения.
Восстановление работоспособности подкрановой балки по средством арочного рельса
Зона верхнего поясного шва сварных подкрановых балок является динамически нагруженной и в настоящее время при тяжелом режиме работы кранов (8К...7К) [23] усталостные трещины появляются в ней преждевременно через 2-3 года интенсивной эксплуатации (600...500 тысяч циклов в год). Усталостные трещины появляются даже при качественном выполнении поясного сварного шва, то есть проплавлений стенки на всю толщину, отсутствии непроваров, подрезов, шлаковых включений, вогнутом с плавными переходами к основному металлу шва [6]. В этом случае эффективные коэффициенты концентрации напряжений минимальны [10,с.137]. В случае же появления непроваров или других дефектов эффективные коэффициенты концентрации напряжений резко возрастают достигая четырех единиц и более и резко снижают долговечность.
Экспериментальные и теоретические исследования [36] показали, что выносливость верхней повреждаемой зоны подкрановых балок следует проверять по трем площадкам, ориентированным следующим образом: первой параллельной верхнему поясному шву и пересекающей стенку под углом 45; второй - перпендикулярной поясному шву и пересекающей его под углом 45; третьей - параллельной поясному шву и перпендикулярной стенке балки.
Проверку выносливости по всем площадкам следует проводить в поверхностном слое стенки балки со стороны эксцентриситета рельса. Непро-вары в поясном шве недопустимы, так как в этом случае выносливость соединения снижается в несколько раз.
Технико-экономический эффект от применения подкрановых балок высокой выносливости складывается из следующих факторов: 1. Снижение затрат труда на изготовление одной 12-и метровой балки; 2. Экономии металла из-за ликвидации ребер жесткости и изменения конфигурации верхнего пояса (сдвигоустойчивое соединение рельса и верхнего пояса); 3. Уменьшение стоимости изготовления за счет пунктов 1 и 2; 4. Экономия у потребителя из-за увеличения срока службы новой конструкции.
Эффект рассчитывался как удельный, то есть отнесенный к одной балке или на единицу длины ее. Расчет произведем для рельсобалочной конструкции. Расчет снижения затрат труда при изготовлении одной балки Сокращение трудовых затрат возникает в результате ликвидации рабочих операций: а) по изготовлению и приварке ребер жесткости; б) по изготовлению и приварке тормозной балки. Экономия затрат рабочего времени посредством исключения операций раскроя стальных пластин для тормозной балки. Экономия рабочего времени определяется по формуле:
Экономия затрат рабочего времени посредством исключения операций раскроя ребер жесткости определяется по той же формуле (1), с той лишь разницей, что а=0.2 м - ширина ребра жесткости; 6=1.5 м - длина ребра; л=8 -число ребер на двух сторонах одной балки прототипа, при условии установки их через 1.5 метра.
Экономия затрат рабочего времени из-за исключения ручной приварки 18-и ребер для балки новой конструкции. Экономия рассчитывается по формуле: Экономия затрат рабочего времени исключением ручной приварки тормозной балки к верхнему поясу для балки новой конструкции. Экономия рассчитывается по формуле:
На основании этого рассчитываем прирост производительности труда при переходе к изготовлению разработанных балок. ЛЯ = 100 (тнрорм -Тр)/Тр (4) ДЯ = 100-(Ю0-88.87)/88.87=12.52%. Таким образом, при всех прочих равных условиях, производительность труда при заводском изготовлении разработанных балок должна возрасти на 12.52%. П.5.1.2. Расчет экономии металла при заводском изготовлении разработанных балок Ребра жесткости: на прототипе устанавливается 18 ребер из листовой стали толщиной =10 мм. Масса металла Мх = a-b-g -п = 0.2 -1.5 -0.01 -7.85 -18 = 0.424 тонны, где g - масса стали. Тормозная балка: Масса металла M2=a-b-g-n = 0.9-12- 0.004 -7.85-1 = 0.333 тонны, В нашем случае возникает экономия металла: Эм =M +M2 =0.424 + 0.333 = 0.757 тонны. То есть экономия металла при заводском изготовлении составляет 0.757 тонны на каждой балке. П.5.1.3. Уменьшении стоимости изготовления разработанной балки Экономия стоимости изготовления складывается из сокращения затрат на работу сварочного агрегата и трудовых затрат электросварщика 4-го разряда. 164 Согласно формулам (2) и (3) экономия времени на сварочных работах составит 6.054 чел. часа. Это экономия трудовых затрат сварщика и машинного времени сварочного агрегата. Стоимость одного машинного часа в ценах 1984 года составляет 0.3руб. заработная плата электросварщика 4-го разряда составляет 2.50 руб. за человекочас. Тогда: Э = (0.30 + 2.50)- 6.054 = 16.95 руб. Экономия финансовых ресурсов за счет сокращения расхода металла: Э = 0.757 Д = 0757 -143 = 108.251 руб. где Ц - цена одной тонны листовой стали толщиной. Общая экономия финансовых ресурсов при заводском изготовлении одной балки составит: Эбщ =16.95 + 108.251 = 125.201 руб. Таким образом, у изготовителя переход к производству разработанных подкрановых балок будет сопровождаться следующими положительными технико-экономическими факторами: - возрастает производительность труда на 12.52 %; - на каждом изделии будет экономиться 0.757 тонны листовой стали и 125.201 руб. денежных средств в ценах 1984 года. П.5.2. Расчет эффективности амортизирующих креплений
Применение предлагаемого в диссертации способа крепления рельса к подкрановой балки а.с. 2128265 позволяет увеличить срок службы как самого крепления так и всего подкранового пути, включая подкрановые балки, по сравнению с традиционными решениями увеличивается в 1.8-2.0 раза.
Нормативный срок амортизации конструкций подкрановых путей составляет 6-8 лет, средняя величина 7 лет. Тогда амортизационный срок эксплуатации изделия разработанных автором можно вычислить как ожидае 165 мый, предполагая, что они будут эксплуатироваться в аналогичных условиях с существующими (базовыми). Поэтому этот срок будет равен 14 годам.
Таким образом, при применении амортизирующих креплений рельса к балке у потребителя возникает годовой экономический эффект в размере 105.55 руб. на каждый метр установленных конструкций. Общая величина экономического эффекта будет зависеть от объема внедрения.
