Введение к работе
Актуальность исследования. Современные нормы проектирования и изготовления позволяют выпускать краны, обладающие при существующей системе обслуживания и ремонта высокой надежностью, обеспечивающей требуемую безопасность эксплуатации. Однако большинство подъемно-транспортной техники, используемой в портах, уже отработали или дорабатывают свой нормативный срок эксплуатации, а обновление парка машин требует больших финансовых вложений. В связи с этим, остро стоит вопрос о продлении срока службы эксплуатирующихся машин, который напрямую связан с оценкой ее надежности.
Говоря о надежности крана, главным образом, имеют в виду надежность его металлической конструкции. Именно она определяет, прежде всего, безопасную эксплуатацию крана. Важно, чтобы уровень надежности не опускался ниже допустимой нормы, поэтому, решая вопрос о надежности эксплуатации крана, необходимо располагать оценками, подтверждающими эту возможность.
Обеспечение безопасной эксплуатации портальных кранов базируется на оценке надежности силовых элементов металлоконструкции, имеющих эксплуатационные повреждения, такие как: усталостные трещины, коррозионные повреждения и деформации эксплуатационного и монтажного характера.
В работе ведется исследование и оценка возникших деформационных повреждений эксплуатационного и монтажного характера, т.к. именно они практически не изучены, в отличие от усталостных трещин и коррозионных повреждений.
Основные требования о допустимости деформационных повреждений приводятся в РД 10-112-4-98 «Методические указания по проведению обследования портальных кранов с целью определения возможности их дальнейшей эксплуатации». Однако, как показал опыт эксплуатации, требования РД могут быть необоснованно жесткими.
Решение данной малоизученной проблемы, т.е. влияния деформационных повреждений металлоконструкций кранов на их надежность, является частью исследований возможности эксплуатации кранов, отработавших свой нормативный срок эксплуатации.
Целью диссертационного исследования является разработка методики оценки эксплуатационной надежности элементов, имеющих деформационные повреждения эксплуатационного и монтажного характера, базирующейся на расчетно-экспериментальных методах определения напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кранов методом конечных элементов с помощью пластинчато-стержневых моделей крана и на исследовании несущей способности элементов металлоконструкций с деформационными повреждениями.
Объектом исследования являются основные несущие элементы
металлоконструкции портальных кранов, влияющие на работоспособность и ресурс крана в целом.
Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние и эксплуатационная надежность основных несущих элементов кранов, имеющих деформационные повреждения различных видов, и закономерности, показывающие связь надежности с напряженно-деформированным состоянием конструкции.
Оценка напряженно-деформированного состояния металлоконструкции всей машины и отдельных ее элементов выполнена с использованием метода конечных элементов и натурных тензометрических испытаний, а также с применением методов неразрушающего магнитного контроля. Результаты экспериментов и компьютерных расчетов были сопоставлены между собой.
Научная новизна исследований заключается в следующих достижениях, выносимых на защиту:
-
Разработана методика оценки эксплуатационной надежности элементов металлоконструкции, имеющих деформационные повреждения различного происхождения, основанная на оценке напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкции и исследования их несущей способности.
-
Разработана принципиально новая методика оценки напряженно-деформированного состояния металлоконструкции портальных кранов путем создания конечно-элементной пластинчато-стержневой модели крана с использованием программного комплекса АРМ WinMachine, что отличает ее от других созданных моделей портальных кранов, металлоконструкция которых имитировалась только с помощью адаптивных стержневых элементов.
-
Созданы и рассчитаны, с целью оценки работоспособности, конечно-элементные модели наиболее нагруженных балок металлоконструкции портальных кранов с имитированными на них деформационными повреждениями различных видов и форм.
-
Выполнены натурные тензометрические испытания деформированных элементов металлоконструкции, по результатам которых была произведена оценка возможности их эксплуатации, а также проведенено сравнение напряжений в исследуемых элементах, полученных данным методом и с помощью расчетной программы АРМ WinMachine.
-
Выполнены натурные испытания деформированных балок с помощью метода неразрушающего магнитного контроля по величине коэрцитивной силы, позволившие оценить несущую способность деформированных балок.
-
Выявлено влияние деформационных повреждений эксплуатационного и монтажного характера на устойчивость элементов металлоконструкции портальных кранов. Получены зависимости, показывающие влияние деформационных повреждений на надежность металлоконструкции портальных кранов.
Достоверность результатов работы.
-
Исследования базируются на принципах современных расчетов на устойчивость и использования метода конечных элементов для оценки напряженно-деформированного состояния металлоконструкции.
-
Сравнение накопленного опыта эксплуатации портальных кранов с полученными в результате расчетов оценками возможности их эксплуатации.
-
Сопоставления результатов натурных тензометрических испытаний эксплуатационной нагруженности металлоконструкции с расчетами методом конечных элементов.
-
Сопоставления результатов экспериментов магнитного неразрушающего контроля по оценке работоспособности деформированных балок металлоконструкции с расчетами методом конечных элементов.
Практическая ценность работы, по мнению автора, заключается в следующем:
-
Разработана принципиально новая методика создания конечно-элементных моделей для оценки напряженно-деформированного состояния металлоконструкции с применением программного комплекса АРМ WinMachine, позволяющая учитывать особенности конструктивных решений без приближения и схематизации отдельных элементов металлоконструкции портальных кранов.
-
Созданы и рассчитаны пластинчато-стержневые конечно-элементные модели портальных кранов ГАНЦ 5/6-30 тип Е и АЛЬБРЕХТ, а также пластинчатые модели наиболее нагруженных балок портального крана ГАНЦ 5/6-30 тип Е с имитацией деформаций на них.
-
Проведены тензометрические исследования деформированных балок портальных кранов ГАНЦ 5/6-30 тип Е и предложен необходимый ремонт балок.
-
Проведены натурные исследования деформированных балок металлоконструкции порталов кранов ГАНЦ 5/6-30 тип Е и АЛЬБРЕХТ с помощью метода неразрушающего магнитного контроля по величине коэрцитивной силы и внесены предложения по возможности использования данного метода для оценки работоспособности деформированных балок крановых конструкций.
-
Разработана инженерная методика оценки эксплуатационной надежности балок, имеющих деформационные повреждения различного вида.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при расширении норм предельно-допустимых деформаций указанных в таблице №2 «Элементы ферменных конструкций» приложения Д-1 РД 10-112-4-98 «Методические указания по проведению обследования портальных кранов с целью определения возможности их дальнейшей эксплуатации», и нашли отражение в СТО 032.3.3-2008 «Технический осмотр и дефектация металлоконструкций портальных кранов. Методические рекомендации по проведению», 2008 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на:
-
Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» в 2004,2005,2006,2007 и 2008 гг.
-
Международных научно-технических конференциях «ИНТЕРСТРОИМЕХ 2006» и «ИНТЕРСТРОЙМЕХ 2007» в 2006 году в г. Москве и в 2007 году в г. Самаре.
-
Международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» в 2006 году в г. Санкт-Петербурге.
-
На первом Уральском подъемно-транспортном конгрессе в 2007 году в г. Екатеринбурге.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных и 1 рукописная работы, из них два журнала, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключительной части, изложенных на 152 страницах машинописного текста, включает 55 иллюстраций, 38 таблиц, библиографический список из 118 источников и 2 приложения.
