Введение к работе
Актуальность работы. Грузоподъемные краны нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе металлургической. Одним из наиболее ответственных элементов грузоподъемных кранов являются стальные подъемные канаты. От работоспособности стального подъемного каната во многом зависит безопасность не только крана, но и всего производства.
Фундаментальный вклад в теорию, расчёт и конструирование стальных канатов внесли М.М. Федоров, ГН Савин, П.П Нестеров, Б С. Ковальский, МФ Глушко, А И Дукельский, В Д. Белый, С.Т Сергеев, ГII Ксюнин, В А Каландадзе, Г.В Верстаков, А П. Ветров, Ю.А Почтовенко, Н.К Гончаренко, В.И. Дворников, Л В. Колосов, В И. Бережинский, В А Малиновский, МН Хальфин,В.А Рыжиков, А.А. Короткий, И М Чаюнидр
НИИМетиз, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Санкт-Петербургский государственный технический университет, ВНИОМШС, Одесский политехнический университет, Волгоградский сталепроволочно-канатный завод (филиал «Волгоградский завод» ОАО «Северсталь-метиз»), Магнитогорский калибровочный завод и другие организации, занимающиеся расчетом и конструированием стальных канатов, внесли большой вклад в совершенствование конструкций стальных канатов, технологию изготовления и повышение безопасности их эксплуатации.
Однако, несмотря на достигнутые успехи в конструировании стальных канатов и технологию их изготовления, практика эксплуатации показывает, что несмотря на большие значения коэффициента запаса прочности, стальные подъемные канаты на заливочных кранах служат не более двух-трех месяцев При этом иногда происходит обрыв подъемного каната, приводящий к аварии с весьма тяжелыми последствиями.
Так, например, 7 апреля 1998 г. в ОАО «Северсталь» оборвался канат главного подъема заливочного крана конвертерного производства, ковш, содержащий от 60 до 80 т расплавленного чугуна, упал на рабочую площадку конвертера Оборвавшийся стальной канат был изготовлен по ТУ 14-4-273 Череповецким сталепрокатным заводом и имел коэффициент запаса прочности при обычной температуре цеха 10 ..25 С не ниже 6,5
Еще одна крупная авария произошла в отделении перелива чугуна конвертерного производства ОАО «Северсталь» 23 марта 2004 г В 2003 г. это отделение было реконструировано в рамках строительства установок десульфу-рации чугуна я скачивания шлака с поверхности чугуна Во время подъема ковша с жидхим обезшлаченным чугуном для последующего перемещения к конвертеру произошел обрыв ветвей каната механизма главного подъема крана, что привело к падению траверсы с ковшом с высоты примерно 14 м в яму перелива чугуна, разливу жидкого чугуна и проникновению его в приямки весов
и тоннель, ведущий к приямкам. В результате аварии погибло три человека На момент аварии данный канат проработал всего 62 дня.
Уменьшение коэффициента запаса прочности каната связано со снижением предела прочности материала проволоки вследствие изменения его микроструктуры под воздействием высоких температур, а также с перераспределением растягивающих усилий между проволоками вследствие различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях, а также по причине волнистости
В работах В Б Маслова, В.В Шевцова приведены результаты наблюдений за эксплуатацией канатов с металлическим сердечником, эксплуатировавшихся на литейных кранах Таганрогского металлургического завода, Волгоградского завода «Красный Октябрь», Череповецкого металлургического завода, показывающие, что 24 % канатов, преждевременно снятых с эксплуатации, имели дефект «волнистость», а срок их эксплуатации колебался от 6 до 180 дней
Исследованию перераспределения напряжений между проволоками в результате волнистости посвящены работы МН Хальфина В этих работах также описан метод определения допустимого радиуса волнистости каната в зависимости от предела прочности, требуемого коэффициента запаса прочности, номинальных растягивающих напряжений и других факторов. Однако в этом методе не учитываются температурные напряжения, возникающие в стальном канате вследствие различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях.
Настоящая работа посвящена совершенствованию методов расчета и созданию новых способов браковки стальных канатов двойной свивки с металлическим сердечником с учётом различия геометрических параметров и механических свойств винтовых элементов, а также температурных напряжений, возникающих в проволоках стального каната в результате воздействия высоких температур в процессе его эксплуатации на металлургическом кране
Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения автоматизированных машин, робототехнических и мехатронных устройств и систем», утверждённого Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.04.1998г, по тематическому плану Министерства образования РФ №6 О0.Ф раздел «Теория гибких витых систем с учётом различия геометрических параметров их элементов», НИР ЮРГТУ (НПИ) по теме П 3-842 «Промышленная экспертиза подъемно-транспортных машин повышенной опасности»
Цель работы. Повышение безопасности эксплуатации стальных канатов с металлическим сердечником на металлургических кранах путём совершенствования метода их расчёта и создания новых способов браковки с учётом воздействия высоких температур.
Идея работы заключается в учёте воздействия на стальной каната высоких температур в процессе его эксплуатации на металлургическом кране
Защищаемые научные положения:
математическая модель напряженно-деформированного состояния стального каната с металлическим сердечником с учетом воздействия высоких температур в процессе его эксплуатации на металлургическом кране;
метод расчёта напряжений в проволоках стального каната с металлическим сердечником с учётом воздействия высоких температур в процессе его эксплуатации на металлургическом кране,
алгоритм расчета напряжений и деформаций в проволоках стального каната с учетом воздействия высоких температур;
метод расчета нормы браковки кранового каната по критерию волнистости с учётом воздействия высоких температур
Методы исследования. Научное обобщение исследований, посвященных условиям работы канатов литейных кранов; лабораторные исследования изменения температуры винтовых элементов стального каната во времени; математическое моделирование с применением ЭВМ (разработана компьютерная программа по определению растягивающих напряжений и деформаций кранового каната двойной свивки с учетом различия температур его винтовых элементов, расположенных в разных слоях)
Научная новизна:
разработана математическая модель напряженно-
деформированного состояния стального каната двойной свивки с металлическим сердечником, учитывающая различие температур его винтовых элементов разных слоев,
разработан метод расчёта напряжений в проволоках стального каната двойной свивки с металлическим сердечником, учитывающий различие температур его винтовых элементов, находящихся в разных слоях;
разработан алгоритм расчета напряжений и деформаций в проволоках стального каната двойной свивки с учётом различия температур его винтовых элементов, расположенных в разных слоях,
разработан метод браковки кранового каната по критерию волнистости с учетом температурных напряжений и снижения предела прочности материала канатной проволоки
Практическое значение заключается в разработке методики расчёта нормы браковки стального каната по критерию волнистости с учётом различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях, методики расчета стального каната двойной свивки с металлическим сердечником с учетом различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях; разработке новой конструкции стального каната и способа его браковки, защи-
щенных патентом РФ на изобретение, позволяющих повысить безопасность эксплуатации стальных канатов.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается применением современных апробированных методов исследования, корректностью принимаемых допущений при разработке расчетных схем и математической модели, применением ЭВМ и современных языков программирования при проведении исследований; сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований (средняя погрешность при определении температур проволок каната диаметром 42 мм составляет 15%)
Реализация результатов работы. Разработанный метод расчета деформаций, напряжений и допустимого радиуса волнистости стального каната двойной свивки с металлическим сердечником с учетом различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях, оформленный в том числе в виде компьютерной программы, принят к внедрению в филиал «Волгоградский завод» ОАО «Северсталь-метиз», на Таганрогский металлургический завод и в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» специализации «Подъемно-транспортные машины».
Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) 2001-2007 гг.; международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем», Санкт-Петербургский политехнический университет, 2006 г.; международной научно-методической конференции по безопасности жизнедеятельности, посвященной 100-летию Новочеркасского политехнического института, г. Новочеркасск, 2.4-26 мая 2007 г
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК; получено 3 патента на изобретение.
