Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса цель и задачи исследования 8
1.1. Напряжённое состояние и сопротивление усталости подкрановых балок 8
1.2. Экспериментальные исследования усталостной прочности и долговечности сварных балок 14
1.3. Повреждения подкрановых балок в условиях эксплуатации и факторы, вызывающие эти повреждения 23
1.4. Основные выводы, цель и задачи исследования 32
Глава 2. Методика накопления и анализ статистических материалов по условиям эксплуатации и повреждаемости подкрановых балок 35
2.1. Методика сбора статистической информации 36
2.2. Критерии формирования и анализ статистической выборки 39
2.3. Анализ факторов, влияющих на долговечность подкрановых балок 44
2.3.1. Факторы, отражающие собственные параметры конструкции подкрановых балок 46
2.3.2. Факторы, характеризующие внешние воздействия 53
2.4. Характер распределения усталостных трещин по длине верхней зоны стенки подкрановых балок 58
2.5. Выводы по главе 64
Глава 3. Многофакторная модель повреждаемости верхней зоны стенки сварных подкрановых балок 66
3.1. Выбор параметров повреждаемости верхней зоны стенки 66
3.2. Интервалы варьирования и нулевой уровень исследуемых факторов ...73
3.3. Исследование значимости факторов, влияющих на повреждаемость верхней зоны стенки 78
3.4. Проверка адекватности и интерпретация модели 85
3.5. Выводы по главе 92
Глава 4. Повышение долговечности сварных подкрановых балок интенсивной нагруженности 94
4.1. Предельно допустимая длина усталостных трещин в верхней зоне стенки подкрановых балок 95
4.2. Выбор способов повышения долговечности подкрановых балок 102
4.3. Прогнозирование повреждаемости и долговечности подкрановых балок пролёта А-Б Листопрокатного цеха №3 ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» 114
4.3.1. Исходные данные 114
4.3.2. Прогнозирование повреждаемости верхней зоны стенки 116
4.3.3. Расчёт предельно допустимой длины усталостной трещины 121
4.3.4. Повышение долговечности верхней зоны стенки 122
4.4. Рекомендации по проектированию и эксплуатации подкрановых балок интенсивной нагруженности 126
4.5. Выводы по главе 131
Общие выводы и результаты 133
Список литературы 135
Приложение
- Экспериментальные исследования усталостной прочности и долговечности сварных балок
- Критерии формирования и анализ статистической выборки
- Интервалы варьирования и нулевой уровень исследуемых факторов
- Выбор способов повышения долговечности подкрановых балок
Введение к работе
Надёжность и долговечность металлических конструкций связана с совершенствованием методики их проектирования и расчёта технологии их изготовления и монтажа, соблюдения правил технической эксплуатации. Принятая в настоящее время методика расчёта металлических конструкций по предельным состояниям, как указывал Н.С.Стрелецкий [105, 108], постоянно требует своего уточнения и совершенствования. Одним из несовершенств данной методики является то, что она не в полной мере учитывает продолжительность эксплуатации конструкций и их износ.
При проектировании конструкций в них закладывается нормативный (проектный) уровень надёжности. Нормативная надёжность определяется действующими нормами и техническими условиями на их проектирование, изготовление, монтаж, а также стандартами на материалы. Но в период эксплуатации конструкции обладают эксплуатационной, то есть фактической надёжностью, которая применительно к подкрановым балкам, как показывает практика, оказывается значительно меньше нормативной. Известно, что первые повреждения в подкрановых балках появляются уже через 4-5 лет эксплуатации [4, 53, 96, 120, 121, 123], хотя нормативный срок службы подкрановых конструкций 40-50 лет. Далее эти повреждения в особенности в верхней зоне стенки балок развиваются и уже к 10-15 годам эксплуатации (см. раздел 2.1.) принимают массовый характер.
Эксплуатационная надёжность является функцией, убывающей во времени, так как со временем неизбежно появление и накопление в конструкциях различного вида повреждений, понижение механических свойств материала вследствие старения, усталости при воздействии переменных циклических и вибрационных нагрузок, то есть физического износа конструкции.
Многочисленные обследования цехов свидетельствуют о том, что подкрановые конструкции являются наиболее повреждаемыми элементами каркаса. Ремонт и замена подкрановых балок стали для предприятий явлением система-
тическим, требующим нарушения технологического процесса, значительных материальных и трудовых затрат.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что выполнена значительная работа по исследованию причин неудовлетворительной долговечности подкрановых балок. Но попытки многих исследователей установить одну "генеральную" причину образования усталостных разрушений не увенчались успехом. Более того, до настоящего времени не определён полный перечень факторов, определяющих усталостную прочность ПБ. Количественные оценки вклада каждого фактора применительно к расчёту на выносливость часто противоречивы или полностью отсутствуют.
При этом достаточно глубоко изучены закономерности нагружения конструкции и напряженно-деформированного состояния верхней зоны балок под действием перемещающейся нагрузки. Выявлен ряд факторов, усугубляющих работу конструкций, связанных с разного рода дефектами подкрановых путей и самих балок, тем не менее, проблема долговечности остаётся открытой.
Множество факторов, случайность времени и места их проявления, различная степень их опасности порождают статистический характер усталостных повреждений балок, вызывая неясность представлений о причинах образования трещин и сроках их появления.
Выделение и исследование каждого фактора в отдельности, с последующим обобщением полученных зависимостей - путь весьма сложный и трудоёмкий. Очевидно, что точное аналитическое решение для прогнозирования долговечности найти невозможно, поэтому необходимо привлекать методы теории вероятностей и математической статистики, достаточно развитые других областях науки (машиностроение, химия, металлургия и др.). Тем более что в последнее время, эти методы, достаточно часто находят применение и в расчётах строительных конструкций.
Экспериментальные исследования усталостной прочности и долговечности сварных балок
Одним из самых действенных и достоверных способов изучения напряжённо-деформированного состояния балок является экспериментальное исследование моделей балок. Этим многие годы занималось большое количество учёных, проводилось значительное количество экспериментов. Рассмотрим результаты этих исследований применительно к выносливости и долговечности подкрановых балок.
В 1953 г. М.М. Крайчик [50] провёл испытание циклической нагрузкой на базе 2-Ю6 циклов 2-х серий сварных балок, отличающихся между собой только способом обработки сварных швов. Обработка сварных швов бойком с помощью пневмомолотка привела увеличению предела выносливости на 83%.
В 1958-60 г.г. А.С. Довженко, Е.Е. Кочергова (ЦНИИСК им. Кучеренко) [23, 24, 43, 44] провели испытания 36 моделей балок на циклическую нагрузку. Установлено: 1. Появление усталостных трещин зависит от величины эксцентриситета: при прочих равных условиях при е=8; 16 мм трещин не было; при е=25мм получены усталостные трещины. 2. Изменение сечений верхнего и нижнего участков сварной балки, толщины стенки, замена верхнего участка стенки уголком существенного влияния на увеличение выносливости не оказали. Одна из балок с частым расположением рёбер жёсткости (д=300мм) выдержала в четыре раза большее количество циклов чем аналогичная без рёбер жёсткости. 3. Частичное усиление стенки балок короткими рёбрами жёсткости приводит к перемещению концентраторов напряжений, но не к их устранению. 4. Балки с полным проплавлением поясного сварного шва выдержали большое (2,43-106 циклов) количество циклов без разрушения при напряжениях в стенке, превышающих предел текучести.
В 1963 г. О.В. Блоджетт (Канада) [74] провёл испытание пульсирующим циклом на базе 2-Ю циклов трёх серий балок, отличающихся между собой расположением сварных швов при варке рёбер жёсткости. Две сосредоточенные силы прикладывались по схеме чистого изгиба с расстоянием между ними 300 мм. Под каждой силой устанавливались рёбра жёсткости. Установлено: 1. Самый низкий предел выносливости имели балки с рёбрами, приваренными к стенкам и обеим полкам. Чем короче сварные швы, прикрепляющие рёбра жёсткости, тем выше предел выносливости.
В 1963 г. X. Розенкранц [74] испытал сварные двутавровые балки на циклическую нагрузку (с обычными стыками - 12 балок, с Z-образными стыками -12 балок, р=0,2). Балки со сварными с Z-образными стыками обладали в 2-3 раза большей долговечностью, чем балки с обычными стыками.
В 1963 г. И.Е. Спенглер. СМ. Родов (Днепропетровский филиал Проект-стальконструкции) [102] провели испытание 10 сварных балок на специальной гидравлической установке (вибраторе). Установлено: 1. Основными причинами появления продольных усталостных трещин в стенках балок является внецен-тренная повторно-переменная нагрузка и дефекты изготовления (непровары, подрезы). 2. При испытаниях на открытом воздухе зимой (t 0C) усталостные трещины появились раньше. 3. Суммарные напряжения сжатия в стенке со стороны эксцентриситета вызывают пластические деформации, в то время как пояса работают упруго. При изменении направления загружения в результате отпора пояса в стенке появляются растягивающие усилия, что приводит к образованию продольных трещин. 4. При е 10 мм усталостные трещины появились в поясах при более чем 2-10 циклах. 5. В случае усиления поясов наклонными листами усталостная прочность возрастала, что рекомендовано как временная мера для продления срока службы подкрановых балок.
В 1964 г. А.Б.М. Брайтвайт (Англия) [74] провёл испытание пульсирующим циклом на базе 2-Ю6 циклов двутавровых балок с рёбрами жёсткости, приваренными прерывистыми швами (шпонки по 50 мм). Нагрузка создавалась двумя силами изгиба по схеме чистого изгиба на расстоянии 370 мм от середины пролёта. Обработка сварных швов дробью привела к увеличению предела выносливости на 32%.
В 1965 г. Г.Б. Бебнева (МИСИ им. Куйбышева) [7] провела испытание 14 предварительно напряжённых балок циклической нагрузкой. Установлено: 1. Знакопеременность напряжения, возникающая в балках вследствие создания в них предварительного напряжения, не оказала влияния на вибрационную прочность балок. 2. Разрушение происходило в местах наибольшей концентрации напряжений, аналогично балкам без предварительного напряжения. 3. Во многих балках (6 балок) разрушение происходило у сварного шва крепления анкерного узла.
Критерии формирования и анализ статистической выборки
Исследования показывают, что в цехах металлургического производства эксплуатируются различные подкрановые конструкции, отличающиеся по конструктивной форме - сквозные фермы и сплошностенчатые двутавровые балки; способу соединения - сварные и клёпаные; разрезности - разрезные и неразрезные; маркам стали - малоуглеродистые и низколегированные.
В целях данной работы, необходимо выделить группу подкрановых конструкций, исходя из типов расчётных схем и однородности напряжённого состояния. Для этого, прежде всего, нужно выбрать для исследования режимы работы кранов, которые очевидно будут влиять на нагруженность, а следовательно, на напряжённое состояние и повреждаемость подкрановых балок. На рис. 2.2. приведён график, а на рис. 2.3. гистограмма повреждаемости ПБ, в зависимости от времени эксплуатации и режима работы кранов.
На графике приведены некоторые собранные автором данные о повреждаемости ВЗС подкрановых балок (в % от общего числа) в зависимости от времени эксплуатации и режима работы кранов. Данные аппроксимированы с по-мощью метода наименьших квадратов. Достоверность аппроксимации R , как видно из графика увеличивается с уменьшением интенсивности работы крана. Недостаточную точность полученных кривых, особенно для режима работы кранов "7К" и "8К" - 0,85 и 0,82 соответственно, можно объяснить тем, что при построении графиков учитывалось лишь два фактора.
Исходя из этих данных, целесообразно для обеспечения однородности выборки принять для исследования подкрановые балки, нагружаемые кранами режима работы "7К" и "8К".
Под краны режимов работы "7К" и "8К" используются: клёпаные и сварные подкрановые балки, а также подкраново-подстропильные фермы (см. рис. 2.4). Первые из-за высокой стоимости изготовления не применяются с 50-х годов [53]. Сварные ПБ, благодаря своей технологичности и меньшей металлоёмкости, получили массовое применение, выпускаются по типовым проектам и индивидуального проектирования и составляют от общего объёма эксплуатируемых ПБ порядка 90.. .95% [53].
Другим критерием, повышающим однородность статистической выборки, является год изготовления конструкции. Очевидно, что с эволюцией нормативной базы, государственных стандартов, технических условий, применения новых конструктивных решений повышалась и надёжность самих конструкций. Например, нормы до 1962 г не предусматривали в подкрановых балках вырезов для пропуска поясных швов, что приводило к концентрации напряже ний. Другим примером может служить то, что ранее в подкрановых конструкциях допускалось применять кипящую сталь.
В конечном счёте, всё это сказывалось на повреждаемости ПБ, некоторые примеры которой приведены в табл.2.1.
В связи с вышеприведёнными соображениями в выборку решено включать данные о повреждаемости подкрановых балок запроектированных после вступления в силу в 1972 г СНиП [99]. Предпосылкой к этому послужило ещё и то обстоятельство, что подкрановые балки режима работы "7К" и "8К" начавшие эксплуатироваться до 1972 года, по всей видимости, нуждаются не в прогнозировании долговечности, а в замене (см. рис. 2.2).
Помимо рассмотренных факторов, связанных с характеристиками подкрановых конструкций и условиями их эксплуатации, оказывающих непосредственное влияние на долговечность балок, точность получаемых результатов будет зависеть от соответствия собираемой информации действительному положению вещей. Как и в любом исследовании, неизбежные при этом погрешности, обусловлены достоверностью источников информации, степень точности которых нужно проанализировать.
Как показано выше, источников информации по конструкции подкрановых балок может быть несколько, при этом проверяется согласованность чертежей между собой. При наличии расхождений в чертежах конструкций, предпочтение отдавалось чертежам завода изготовителя и организации выполнявшей монтаж, результатам натурных обмеров. В случае недостатка убедительной информации, балки не включались в статистическую выборку и поэтому данные по конструкции балок можно считать вполне достоверными.
Результаты исследования весовых характеристик кранов [88] свидетельствуют о том, что они могут отличаться от паспортных данных не более чем на 5%, а давления катков соответственно на 11-16%. Следует отметить, что эти отклонения представляют собой максимальный разброс характеристик, равный, очевидно, трём стандартным отклонениям с вероятностью не более 0,3 %. Стандартное же отклонение будет составлять около 1,5...2 % по весу и 4...5 % по нормативному давлению катков, а так как в работах [47, 57] было показано, что средние давления катков составляют в большинстве цехов 0,6.. .0,7 от нормативных давлений, то, очевидно и отклонения в давлениях могут снизиться до 2...3 %. Кроме того, эти отклонения будут как в большую, так и в меньшую сторону от паспортных данных, и поэтому в условиях решаемой задачи вполне правомерно использовать паспортные данные, а возможные отклонения считать несущественными.
Сведения по типу и количеству кранов, датам установки и снятия кранов, либо их реконструкции, являются также вполне достоверными, так как в цехах ведётся строгий учёт, систематически контролируемый Госгортехнадзором.
Выработанные критерии формирования и проведённый анализ свидетельствует о том, что накопленная выборка по усталостным повреждениям, условиям работы и характеристике подкрановых балок может считаться достаточно однородной, и использоваться в качестве базы для статистического исследования долговечности подкрановых балок в условиях эксплуатации.
Интервалы варьирования и нулевой уровень исследуемых факторов
Выбор экспериментальной области факторного пространства связен с тщательным анализом априорной информации [1, 2, 27]. Проанализировать собранные статистические данные, можно построив гистограммы распределения значений выбранных факторов, встречающихся в выборке Опираясь на зги гистограммы н другую априорную информацию будем определять верхний и нижний уровень для каждого исследуемого фактора исходя из: - частоты появления значения данного фактора в выборке; - выбора максимально возможного диапазона фактора.
Историю эксплуатации конструкции, с позиций механики разрушения согласно [67, 96) можно представить в виде двух временных отрезков: до зарождения усталостной трещины и после (см. рис. 3.3).
Таким образом, суммарная циклическая долговечность (ресурс) конструкции будет равна: Очевидно, что для прогнозирования роста УТ нужно рассматривать «второй» период работы конструкции, нижней границей которого будет являться величина Лл Значение этой величины, а также верхней границы прогнозируемого интервала мы определим исходя из полученных данных, представленных на рис. 2.2. и рис. 3.4, а также опираясь на исследования [4, S3,96,120,123].
Для прогнозирования выбрана область, нижняя граница которой соответствует 8 годам с начала эксплуатации подкрановых балок, а верхняя соответственно 20 годам.
Во второй главе для исследования были выбраны две группы режима работы кранов - «7К» и «8К». В соответствии с правилами методики планирования эксперимента принимаем за нижний уровень группу режима работы «7К», а за верхний «8К».
В соответствии с РД 22-01-97, для зданий и сооружений металлургических, коксохимических, химических, нефтехимических и нефтеперерабатываюпщх горнорудных производств, приняты сроки обследования подкрановых конструкций приведенные в таблице 3 В пр и вед ённо й таблице неагрессивная и слабоагрессивная среды сведены в одну категорию, а среднеагресс иная среда по срокам обследования не отличается от сильноагрессивной. Исходя из этой предпосылки принимаем неагрессивную и слабоагрессивную среды за нижний уровень, а среднеагрессивную и сильноагрессивную за верхний.
В собранных автором данных, в отношении рассматриваемого фактора встречаются краны только с 2-мя и 4-мя колёсами (катками) на концевой балке. Для большей наглядности используем данные, собранные В Л. Камбаровым в цехах металлургического производства (рис.3.5).
В связи с тем, что крутильная жесткость кранового рельса на порядок больше чем жесткость верхнего пояса балок, большая часть данных приходится на крановые пути цехов, оборудованных рельсами КР70 и КР120 (см. рис. 3.7). Соответственно за нижний уровень принимаем J=360CM4, за верхний J= 1470см4.
За верхний уровень фактора принимаем разрезные подкрановые балки, за нижний - неразрезные.
В результате анализа собранной статистической выборки, выполненного в соответствии с двумя сформулированными условиями, получена таблица значений: верхнего, нижнего и нулевого уровней факторов, а также шага их варьирования.
Так как факторы R, Z и S являются качественными показателями, нулевой (основной) уровень для них отсутствует, по этой же причине в дальнейшем будет приведена вспомогательная таблица для перехода от натуральных значений данных факторов к их закодированным значениям.
Теперь, после определения основных уровней факторов, можно переходить непосредственно к поиску зависимостей, определяющих повреждаемость верхней зоны стенки балок.
Выбор способов повышения долговечности подкрановых балок
Увеличение ресурса балок может быть также достигнуто (см. рис. 4.5): 1. Изменением собственных параметров конструкции (усиление, замена кранового рельса более мощным, другие способы увеличения крутильной жёсткости верхней части балки и т.д.). 2. Путём снижения или перераспределения внешних силовых факторов (ограничение грузоподъёмности крана, увеличение количества катков на концевой балке крана, установка низкомодульных подкладок под рельс и т.д.). 3. Проведение ремонтно-восстановительных работ (заварка трещин, вырезка и замена дефектных участков, рихтовка положения крановых рельсов и т.п.).
Некоторые из этих способов, такие как усиление ВЗС косынками, ламеля-ми, заварка трещин, замена дефектных участков используются в настоящее время на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ОАО «Свободный сокол» и некоторых других предприятиях Липецкой области (см. рис. 4.6, 4.7). В то же время такой достаточно эффективный способ как установка под рельс низкомодульных подкладок не нашёл в нашей стране своего применения, в связи с чем в дальнейшем не рассматривается.
Наиболее полную информацию, относительно способов усиления подкрановых балок, на сегодняшний день можно найти в альбомах выпущенных Сибирским [15] и Ленинградским [14] отделениями Проектстальконстукции, а также в Пособии по проектированию усиления стальных конструкций [89]. На рис. 4.8-4.12. показаны конструкции усилений, приведенные в этих источниках и направленные на снижение местных напряжений в ВЗС. Рассмотрим данные способы с точки зрения эффективности и технологичности.
На рис. 4.8. приведены два способа, направленных на снижение напряжений от местного сжатия. Первый способ (рис. 4.8.а) включает установку в верхней зоне стенки усиливающих уголковых элементов с креплением их высоко прочными болтами. Этот способ имеет преимущество в том, что балка не получает новых концентраторов напряжений в виде сварных швов, а высокопрочные болты и соединение на их основе обладают значительно большей долговечностью, чем соединения на основе сварки. Но в тоже время способ имеет недостатки, основным из которых является высокая трудоёмкость исполнения. Удаление верхней части рёбер жёсткости, зачистка места реза шлифмашинка-ми, сверловка отверстий в стенке, верхнем поясе и в самих усиливающих уголках. Кроме того, для обеспечения плотного касания усиливающих элементов к поясу и стенке, необходима установка дополнительных прокладок для пропуска шва (тоже с отверстиями), а после их крепления необходимо восстановить рёбра жёсткости. Выполнение перечисленных операций усложняется тем, что их нужно выполнять на высоте, в условиях повышенной опасности.
Весьма эффективным является способ усиления подкрановых балок, разработанный в Днепропетровском ИСИ [114]. Плоские элементы усиления с заранее приваренными к ним прокладками устанавливаются в верхней зоне балки с креплением к верхнему поясу и стенке посредством сварки (рис. 4.8.6). Такой способ позволяет существенно снизить уровень напряжений в стенке балки, при этом концентрация напряжений, возникающая в стенке, сведена к минимуму за счёт того, что прокладка утончается и уширяется к низу. Это приводит к более равномерной передаче усилий на стенку. Кроме того, сварные швы, прикрепляющие прокладки к стенке, расположены на значительном удалении от верхнего пояса и их влияние незначительно. Однако трудоёмкость способа всё же высока. Так, необходимо предварительно срезать верхнюю часть рёбер жёсткости, изготовить большое количество прокладок переменной толщины, состыковать элементы усиления для достижения ими длины, равной длине балки и приварить к ним прокладки. Кроме того, у элементов усиления должна быть выполнена разделка кромки по всей длине и по торцам. Установка готовых элементов также весьма сложна и не может быть выполнена без применения грузоподъёмных механизмов из-за большого собственного веса. Аналогичный способ приведён в альбоме [14]. Его отличие состоит в том, что элементы уси ления прикрепляются к стенке высокопрочными болтами. Особых преимуществ это не даёт, но значительно увеличивает трудоёмкость усиления.
Способы, снижающие напряжения от местного изгиба стенки приведены на рис. 4.9 - 4.12. Первый из них включает установку в верхней зоне балки уголковых элементов, образующих коробчатое сечение (рис. 4.9). Этот способ позволяет повысить жёсткость верхнего пояса и исключить возникновение в верхней зоне стенки местных изгибных напряжений, вызванных его кручением. Однако эффективность способа невысока из-за того, что фасонки, предназначенные для восстановления срезанных рёбер жёсткости и выполнения их функций не способны передать возникающее кручение усиленного верхнего пояса на оставшуюся часть поперечных рёбер. В предлагаемом альбомом решении невозможно обеспечить достаточной для этого длины сварных швов из-за отсутствия доступа для их наложения. Таким образом, изгибные напряжения в стенке не устраняются, а лишь переносятся ниже - в место крепления к стенке горизонтальных полок уголка. Причём место перегиба стенки совпадает с концентратором напряжений - новым сварочным швом. Экспериментальными исследованиями не было отмечено повышенной долговечности таких балок [46].
Этот способ также требует большого объёма работ, проводимых на высоте: удаление верхних частей рёбер жёсткости, обработка мест реза шлифма-шинками и восстановление рёбер жёсткости при помощи фасонок после приварки усиливающих уголков к верхнему поясу и стенке. Кроме того, эксплуатация балок, усиленных подобным образом будет усложнена, так как головки болтов крепления рельсов находятся в замкнутом пространстве.
Следующий способ (см. рис. 4.10), включает установку в верхней зоне балки плоских элементов (ламелей) с креплением их к верхнему поясу и стенке при помощи сварки. Этот способ также не обладает достаточной долговечностью, что подтверждено экспериментальными исследованиями [46]. Крутящий момент, как и в способе (4.9) вызывает поворот жёсткого диска, образованного ламелями и верхним поясом в месте концентратора напряжений - сварочном шве.
