Содержание к диссертации
Введение
1. Основные факторы, влияющие на долговечность балок из условия их выносливости 10
1.1. Назначение и особенности эксплуатации подкрановых конструкций 10
1.2. Причины усталостных разрушений и способы повышения долговечности подкрановых балок 14
1.3. Исследования локального напряженного состояния подкрановых конструкций 17
1.4. Экспериментальные исследования стальных балок на выносливость 30
1.4.1. Исследование выносливости балок посредством пульсирующих домкратов 30
1.4.2. Исследование выносливости балок подвижными силовыми импульсами 31
1.5. Совершенствование профилей сечения подкрановых балок 43
2. Эффективные профили рельсов транспортных конструкций 55
2.1. Динамический механизм «колесо, рельс, подкрановая балка» 55
2.2. Рельс - макрорегулятор динамических импульсов, генерируемых каждым колесом крана при его движении 60
2.3. Управление силовыми импульсами и выносливостью конструкций 63
2.4. Новые конструктивные решения профилей рельсов 70
2.4.1. Трехглавый рельс с одной шейкой 70
2.4.2. Трёхглавый арочный рельс цилиндрического профиля 74
2.4.3 Трехглавые арочные рельсы с наклонными шейками 79
2.4.4 Трехглавый арочный рельс параболического и эллиптического профилей 83
2.4.5. Арочный железнодорожный рельс 88
2.4.6. Крановый рельс для трубчатой балки 95
Выводы по главе 97
3. Рельсобалочные подкрановые конструкции 99
3.1. Рельсобалочные конструкции с трехглавыми рельсами 101
3.2. Рельсобалочные конструкции с арочными рельсами 108
3.3. Трубчатые рельсобалочные конструкции 123
3.4. Трубчатые рельсобалочные конструкции для средних рядов колонн 131
3.4. Рельсотормозные конструкции 134
3.4.1. Рельсотормозная балка с арочным рельсом 135
3.4.2. Рельсотормозная балка из прокатных элементов 137
3.4.3. Рельсотормозная балка с разъемным соединением 139
3.4.4. Узлы крепления подкрановых балок к колонне с возможностью рихтовки 141
Выводы по главе 144
4. Снижение локальных напряжений в стенке подкрановых балок 145
4.1. Определение локальных напряжений в стенке балки под рельсом 145
4.1.1. Загружение полуплоскости косинусоидальной нагрузкой 146
4.1.2. Загружение полуплоскости синусоидальной нагрузкой 153
4.1.3. Проверка полученных зависимостей 159
4.2. Влияние местных изгибных напряжений в стенке балки на выносливость 166
4.3. Расчёт на выносливость зоны соединения верхнего пояса и стенки подкрановой балки 167
4.4. Пути повышения выносливости сварных подкрановых балок 191
Выводы по главе 193
5. Стендовые испытания подкрановых балок на циклические нагрузки 195
5.1. Имитация подвижных силовых импульсов от колес мостовых кранов 195
5.2. Стенды для испытания подкрановых балок на выносливость 198
5.2Л. Новый стенд для испытания неразрезных балок 198
5.2.2. Новый стенд для испытания на выносливость подвижными крутящими моментами , 202
5.2.3. Модернизация стенда для испытания однопролетных балок струбчатыми поясами 212
5.3. Экспериментальное определение напряжений и деформаций при испытании подкрановых балок 221
Выводы по главе 228
6. Результаты испытаний на усталость подкрановых балок новой конструктивной формы 229
6.1. Анализ испытаний балок двутаврового сечения 229
6.2. Испытание балок с элементами усиления на фрикционных шпильках 233
6.3. Испытания балок на выносливость с элементами усиления, прикрепленными полыми заклепками с внедренными в них замыкающими сердечниками 251
6.4. Составные балки из прокатных элементов 254
6.5. Испытания на выносливость балок с трубчатым верхним поясом 264
Выводы по главе 276
7. Эффективные способы восстановления и повышение выносливости подкрановых конструкций 278
7.1. Управление силовыми импульсами посредством изменения конструкции кранов 278
7.1.1. Уменьшение силовых импульсов посредством подрессоривания колес крана 279
7.1.2. Новая тележка мостового крана, исключающая сход кранас рельсов и его обрушение 281
7.1.3. Оснащение мостового крана устройствами, исключающими сход крана с рельсов и его обрушение 285
7.1.4. Оснащение мостового крана устройствами, исключающими его перегрузку 286
7.1.5. Снижение циклов загружений балок слиянием импульсов 290
7.2. Повышение несущей способности балок изменением расчетной схемы 292
7.2.1. Устройство для повышения несущей способности и рихтовки балки 292
7.2.2. Портальная подкрановая конструкция 296
7.2.3. Подкраново-подстропильные балки 304
7.2.4. Жесткое соединение подкрановых балок с колонной 308
7.3. Новые конструктивные решения по повышению выносливости эксплуатируемых балок 311
7.3.1. Усиление балки трехглавым рельсом 312
7.3.2. Повышение выносливости балки рельсовым блоком , 313
7.3.3. Повышение выносливости балки восьмиглавым рельсом 317
7.3.4. Повышение выносливости балки двутавровым рельсом ...319
7.3.5. Повышение выносливости балки четырехглавым рельсом 321
7.4. Совершенствование способов и технологии рихтовки крановых путей без остановки основного производственного процесса 323
7.4.1. Рихтовка подкрановых балок на колоннах 324
7.4.2. Рихтовка неразрезных балок 326
7.4.3. Рихтовка разрезных балок с помощью домкрата 329
Выводы по главе 332
Основные результаты и выводы 334
Литература
- Исследования локального напряженного состояния подкрановых конструкций
- Рельс - макрорегулятор динамических импульсов, генерируемых каждым колесом крана при его движении
- Трубчатые рельсобалочные конструкции
- Влияние местных изгибных напряжений в стенке балки на выносливость
Исследования локального напряженного состояния подкрановых конструкций
Подкрановые конструкции входят в состав стального каркаса производственного здания и обеспечивают нормальную эксплуатацию мостовых кранов и каркаса здания. В отличие от обычных балочных конструкций они эксплуатируются в тяжелых условиях. Подкрановые балки непосредственно воспринимают подвижные силовые импульсы от колес мостовых кранов, которые носят резко локальный и динамический характер. Крутящие моменты от внецентренного приложения вертикальных и поперечных сил приводят к появлению в стенке переменного напряженного состояния при высоком уровне напряжений.
При проектировании крановых путей должны обеспечиваться в первую очередь выносливость конструкций, а также прочность, устойчивость и жесткость. Должны соблюдаться требования наибольшей экономии стали, минимальной стоимости и трудоемкости изготовления. Нормы проектирования [130] относят подкрановые конструкции к первой группе конструкций и регламентируют ряд специфических требований, которые необходимо учитывать при их проектировании.
Срок службы этих конструкций зависит от интенсивности повторения и величины силовых импульсов. Наиболее часто усталостные разрушения возникают в цехах черной и цветной металлургии с интенсивным тяжелым режимом работы кранов (8К, 7К). Краны в таких цехах работают в три смены и поднимают грузы массой близкой к номинальной. Подвижные сосредоточенные воздействия от колес кранов достигают экстремальных значений как по величине, так и по цикличности [35].
Подкрановые балки воспринимают вертикальные Р, горизонтальные поперечные Г, продольные Тпр силы и крутящие Мкр моменты от кранов и передают их на каркас здания [126]. Тормозные балки, воспринимающие горизонтальные силы, необходимы для обслуживания и ремонта рельсовых путей.
Рельсы и их крепления, распределяющие сосредоточенные силы и моменты по длине балки, должны быть упругими, амортизирующими и удобными в обслуживании.
Крепления балок к колоннам, передающие вертикальные и горизонтальные опорные реакции на каркас, должны пружинить, амортизировать и обеспечивать поперечную и вертикальную рихтовку пути.
Усталостные разрушения во всех элементах конструкций возникают от подвижных силовых и крутящих импульсов от колес кранов. В первую очередь разрушаются и изнашиваются рельсы и их узлы. Особенно быстро происходит разрушение жестких соединений из-за возрастания динамических воздействий.
Увеличение вертикальных силовых импульсов, возникающее из-за неровности пути при передвижении крана, учитывается коэффициентом динамичности, который в зависимости от скорости передвижения может достигать значений кт = 1,2... 1,3 [36, с. 105].
Решающее влияние на подвижные силовые импульсы оказывают неровности подкрановых путей главным образом на рельсовых стыках. Л Износ колес и рельсов влияет в меньшей степени.
Весьма подробно влияние стыков на напряженное состояние рельсов и верхней зоны стенки подкрановой балки рассмотрено В.Ф. Сабуровым в . . работе [121]. В зоне неперекрытых накладками стыках крановых рельсов изменяются статические условия опирання рельса на пояс подкрановой балки, что вызывает деформации концов рельса, превышающее его деформации вне стыка в 4,8 раза (рис. 1.1).
Наличие в стыках рельсов дефектов в виде зазора и ступеньки приводит при прохождении колес мостовых кранов к возникновению дополнительных силовых импульсов, которые вызывают повреждения рельса в виде скола головки, подголовочные трещины и полное разрушение рельса. )»»»Л?»Лмм) 777777777Г,
Схемы приложения колеса мостового крана по стыку а — перелом рельсового пути; б — зазор; в — ступенька
Наиболее неблагоприятным дефектом является ступенька. При ее величине всего в 1 мм скорость соударения в два раза выше, чем при максимальном зазоре в стыке 40 мм.
Для определения силы ударного взаимодействия использованы дифференциальные уравнения [121]:
При известном значении предела выносливости рельсовой стали Rv (для стали К62 Rv = 150 МПа) легко определить допустимые значения зазора, ступеньки и перелома стыка рельса (рис. 1.1). В результате экспериментальных исследований Сабуровым В.Ф. [121] выявлено, что местные напряжения 5у в стенке сварной балки под стыком превышают эти же напряжения при отсутствии стыка рельса в 1... 8 раз (рис. 1.2).
Этим можно объяснить ускоренное появление усталостных трещин в верхней зоне сварных балок под стыком рельса. В прокатных балках отличие местных напряжений сг составляет 2...2,5 раза, то есть прокатные балки менее чувствительны к наличию неперекрытого стыка рельса.
Выполнение сварных стыков крановых рельсов в условиях эксплуатации сопряжено с трудностями обеспечения требуемого качества сварки. Прочность металла шва в зоне стыка ниже на 60...70% прочности основного металла рельса, что приводит к образованию седловидной выемки и перелома рельсовой нити. Следовательно, для снижения силовых импульсов необходимо исключить использование неперекрытых стыков рельсов. Желательно длину рельсов применять на длину температурного блока подкрановых балок. При наращивании рельсов необходимо внедрять так называемые безударные стыки рельсов и новую конструкцию крепления рельсов в месте расположения стыков. Применение новых конструктивных решений стыков рельсов и их креплений к балкам значительно повысит усталостную долговечность крановых рельсов, подкрановых балок и кранов. конструктивной формы балки в значительной степени зависят ее долговечность, надежность, трудоемкость изготовления и удобство обслуживания. Традиционная форма ее - несимметричный сварной двутавр -имеет существенные недостатки, которые резко снижают долговечность.
Нормы проектирования [130, с.48] требуют выполнять поясные швы с вогнутой поверхностью и с проваром на всю толщину стенки. В этом случае концентрация напряжений, возникающая в соединении пояса со стенкой, минимальна. Практика показывает, что в швах часто обнаруживаются непровары, наплывы, подрезы, снижающие выносливость балок в несколько раз, так как эффективные коэффициенты концентрации напряжений в этом случае возрастают до четырех единиц [133,т.1,с.138].
Неудачна конструкция поперечных ребер жесткости. Чрезмерная концентрация напряжений у верхних концов сварных швов, достигающая четырех единиц [133, т.1, с. 140, п.22], приводит к преждевременному появлению усталостных трещин. Недопустима применяемая конструкция соединений опорного ребра с верхним поясом и стенкой.
Опасно пересечение трех сварных швов: вертикального и двух горизонтальных. К тому же вертикальные ребра жесткости резко снижают податливость в вертикальном направлении и приводят к возрастанию локальных напряжений. В настоящее время в нормах проектирования для подкрановых балок режимов работы 8К и 7К рекомендовано ребра плотно приторцовывать к верхнему поясу и не приваривать к нему.
Рельс - макрорегулятор динамических импульсов, генерируемых каждым колесом крана при его движении
Эффективный коэффициент концентрации напряжений для клепаных балок Кэ= 1,6 в два раза меньше, чем у сварных балок Кэ = 3,2 [133, табл. 1.5.1], что сильно влияет на долговечность балок. Повышение усталостной долговечности можно обеспечить, применяя фрикционные соединения на высокопрочных болтах и новый тип соединений с помощью полых заклепок с внедряемым сердечником [83]. Такие соединения имеют самый низкий эффективный коэффициент концентрации напряжений Кэ=1 [133, с. 138].
С тридцатых годов прошлого века клепаные конструкции интенсивно заменялись сварными, которые имеют меньшую массу и трудоемкость изготовления (до 15%). Двутавровая форма сечения клепаной балки сохраняется с заменой заклепок сваркой [66]. С переходом к сварным балкам был сильно ослаблен верхний пояс и устранена естественная податливость. С увеличением интенсивности их эксплуатации в зоне верхних поясных швов стали появляться усталостные трещины, нарушающие нормальную и безопасную эксплуатацию конструкции [47], несмотря на достаточную прочность при статическом действии нагрузки. Трещины возникали в зоне большой (Кэ до четырех единиц) концентрации у верхнего поясного шва и особенно у опорных и промежуточных ребер и были явно усталостными.
Систематические исследования нагрузок, передаваемых от кранов, и коэффициентов динамичности подкрановых конструкций проводились: на кафедре «Металлические конструкции» МИСИ им. В.В. Куйбышева под руководством Н.С. Стрелецкого, Е.Н. Лессига, Е.И. Бел єни, в ЦНИИСКе им. В.А. Кучеренко под руководством В.А. Балдина, в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова и в других научных организациях.
На кафедре «Металлические конструкции» МИСИ исследования, проведенные под руководством А.И. Кикина [19, 44, 45] позволили нормировать вертикальные и горизонтальные воздействия для кранов различного режима работы и рекомендовать местные динамические коэффициенты [19, 20, 47, 52, 57 и др.].
Одновременно с исследованием воздействий на подкрановые конструкции проводились теоретические и экспериментальные работы по исследованию напряженно-деформированного состояния балок. В работах Б.М. Броуде [17], Б.Б. Лампси [58], Н.С. Москалева, Ю.И. Кудишина [54], А.А. Апалько [57], И.Е. Спенглера [127], Е.Н. Митюгова [68], Сабурова В.Ф. [121], Довженко А.А., О.А. Иванкова [42], К.А. Шишова, Э.А. Рывкина [120], Горпинченко В.М. [32], Нежданова К.К. [73, 74] изучено напряженно-деформированное состояние балок. Особое внимание уделялось локальному напряженному состоянию в повреждаемых зонах стенок. Были разработаны формулы, вошедшие в строительные нормы [32, 76, 120], позволяющие с достаточной точностью определять компоненты локального напряженного состояния.
В наиболее нагруженной зоне стенки в месте ее сопряжения с верхним поясом при действии подвижных силовых импульсов Р, Ти Мкр от колес мостовых кранов возникает сложное напряженное состояние. На поверхностях стенки оно плоское, так как одно из главных напряжений равно нулю (рис. 1.7). Напряжения, действующие в рассматриваемой зоне балки, суммируются из общих от изгиба и локальных от колес крана.
Напряжения от общего изгиба балки, определяемые по формулам сопротивления материалов: нормальные расстояние от оси X до точки, в которой определяется напряжение; Sa - статический момент сдвигаемой части сечения; ст - толщина стенки. Локальные напряжения от подвижных силовых импульсов Р, Т и Мт определяемые методами теории упругости. В соответствии с принципом Сен-Венана они являются быстро затухающими:
GIocs &1асуъ Іо&хуі tloc,2max loc,2 loc, 1,2max Теоретическое решение о распределении местных напряжений в стенке балок дано Б.М. Броуде [17], которое сводится к определению функции напряжений F на верхней кромке стенки, удовлетворяющей бигармоническому уравнению
Решение дифференциального уравнения (1.3) позволило получить выражение для определения давления на стенку от силы Р
В исследованиях Э.А. Рывкина [120] в качестве расчетного аппарата использован метод функций Грина для решения плоской задачи теории упругости, что позволило повысить точность полученных решений задачи распределения местных напряжений в стенке и полке двутавровой балки.
В работе [73] К.К. Неждановым получены зависимости для определения местных напряжений в анизотропной стенке балки от сосредоточенной нагрузки, передаваемой через рельс.
Экспериментальные исследования подтвердили достаточную точность полученных решений Б.М. Броуде [17], Б.Б. Лампси [58], К.К. Нежданова [73, 76], Э.А. Рывкина [120], В.П. Федосеева [158], но предложенные зависимости являются достаточно сложными для инженерных расчетов и требуют табличных данных. Дальнейшее совершенствование методов определения локальных напряжений должно быть направлено на получение без снижения точности формул, которые можно использовать в инженерной практике, например, как формулы (1.6) и (1.7) Б.М. Броуде для определения условной длины распределения сосредоточенной нагрузки.
Верхняя часть стенки подкрановых балок кроме вертикального давления колеса крана воспринимает местный крутящий момент Л/кр, который возникает от бокового давления колеса и смещения кранового рельса с оси балки (рис. 1.4).
Местный крутящий момент, передаваемый на стенку балки, определяется по формуле Мф Ре+ТНр. (1.8) где Р и Т - вертикальное и горизонтальное давления колеса крана; є - величина смещения рельса с оси балки (принимается при проектировании е = 15 мм [130]); Ар - высота рельса. По нормам проектирования [130, 117] крутящий момент необходимо определять по формуле MKr = Pe + 0,75Thp (1.9) где коэффициент 0,75 учитывает податливость креплений кранового рельса и распределение крутящего момента на большую длину, чем распределение вертикальной составляющей. Снижая величину крутящего момента, СНиП [130, 128] разрешает увеличить эксцентриситет є до 20 мм при эксплуатации, что ухудшает работу верхней части стенки.
Распределение местных изгибных напряжений в стенке балки исследовали многие авторы, среди которых необходимо отметить работы Н.С. Москалева [65], А.А. Апалько [2], О.Ф. Иванкова [42], И.М. Одина [105], И.Е. Спенгера [127], Е.А. Митюгова [68], Г.А. Шапиро [166].
Трубчатые рельсобалочные конструкции
Повысить жесткость верхнего пояса на кручение можно путем его подкрепления продольными элементами из листа или прокатными профилями. При этом продольные элементы могут присоединяться не только к поперечным ребрам жесткости, но и к стенке балки. Таким образом, местный крутящий момент от рельса передается через поперечные ребра жесткости на все сечение балки, С этой же целью предлагалось более частое расположение вертикальных ребер жесткости [68]. Но вертикальные ребра жесткости вносят дополнительные концентраторы напряжений и значительно повышают трудоемкость изготовления, сильно снижают выносливость, поэтому от них нужно отказываться, заменяя их продольными.
На рис. 1.16 представлены поперечные сечения подкрановых балок [66, т. 2, с. 90, рис. 6.4], для которых сделана попытка снижения местных напряжений.
Решение 2 может считаться одной из первых трансформаций традиционной сварной балки 1 с целью повышения надежности. При испытаниях пульсирующей нагрузкой в одном из сечений Н.С. Москалевым установлено, что существенного повышения выносливости оно не обеспечивает, так как сварной шов с неизбежными дефектами остается в самой напряженной зоне. Были зафиксированы усталостные трещины в верхнем поясном шве и в сварном шве под вставкой. Развитие этой идеи получило в работах Незальзова О.Р. и Савело В.М. Вставку предложено выполнять клиновидной. Это снижало локальные напряжения в месте перехода вставки к основной стенке. Приваривать вставку к нижнему поясу (тип 4) не целесообразно, так как это значительно увеличивает трудоемкость, а на выносливости никак не отражается. 3 4 5
Установка вертикальных и наклонных продольных ребер в балках (типы 3, 5, 7) не только не повышает выносливость, а снижает ее, ввиду наличия недоступных для сварки зон, усталостные трещины образуются в местах приварки ребер. Кроме того, в балках 3 и 5 невозможно подварить корень шва. Постановка дополнительных элементов с использованием потолочной сварки (типы 7, 8, 10 и 13) не приводит к существенному повышению долговечности подкрановых балок. Очаг зарождения трещин переместился из верхней зоны стенки балки в места прикрепления дополнительных элементов к ребрам жесткости или стенке балки. Подобные результаты были получены В.А. Чумаковым [15] при испытании моделей подкрановых балок с жестким верхним поясом подвижной нагрузкой. Результаты обследований ставят под сомнения перспективность широкого распространения таких балок. Кроме того, без демонтажа балок качество шва получается плохим и способствует возникновению новых трещин.
Ошибочно утверждение, что долговечность балки с поперечными ребрами жесткости (тип 6) выше, чем у балки без них в четыре раза. На самом деле выносливость таких балок не повышается [76].
В балке с двумя стенками (тип 9) будут образовываться продольные трещины под рельсом [76]. При ширине сечения менее 500 мм возникают трудности с подваркой корня шва. Улучшить работу этой балки можно выпустив консольно верхний пояс над одной из стенок и установив рельс над ней (см. рис. 1.17, а). Такое сечение хорошо работает на кручение с изгибом, но трещины в верхнем поясном шве все равно будут образовываться. Специальный профиль в углу балки над одной из стенок и специальный рельс, установленный на этот профиль снижают концентрацию напряжений до минимума (см. рис. 1.17, б). Здесь следует ожидать значительного повышения выносливости, однако необходима экспериментальная проверка.
Решение коробчатой балки с применением прокатного профиля (тип 10) - нетехнологичное и трудоемкое. Здесь также невозможно подварить корень шва. Улучшить этот вариант можно соединив прокатный двутавр с верхним поясом сварного двутавра фрикционными болтами. Балки со сменной подрельсовой частью в виде прокатного двутавра запатентованы и исследованы Васютой Б.Н. [26]. Ресурс повышается в 8... 10 раз по сравнению со сварными и наблюдается значительный положительный экономический эффект, несмотря на то, что применение таких балок дороже на 25-30% (рисЛ. 18).
Подкрановые балки с верхним поясом из прокатного таврового профиля (типы 11, 12) зарекомендовали себя с хорошей стороны. Сварной шов исключен из верхней зоны, что наилучшим образом влияет на выносливость. Ровная поверхность поясов тавров обеспечивает более равномерную передачу давлений колес крана и способствует снижению локальных напряжений в стенке. Хотя усталостные трещины возникают и в таких балках, долговечность их выше, чем у обычных примерно в 3...4 раза [32, 76]. Из-за ограничений, связанных с имеющимися в производстве двутаврами, такая балка подходит для кранов с грузоподъемностью не более 50 т. Более технологичным является тип 11.
Балка без сварного шва в месте передачи нагрузки (тип 13) представляет собой трудоемкое решение. Из-за наличия строганого вкладыша со специально выполненным пазом и гнутых опорных ребер возникают значительные сложности при изготовлении.
Балка с вертикально — гофрированной стенкой (тип 20) лучше работает на кручение, но напряжения lxsy в ее стенке такие же, как у балки 1. Так как соединение пояса со стенкой вьшолнено ручной сваркой, то тип 1 может оказаться предпочтительнее. Также следует отметить, что вертикальные гофры значительно уменьшают момент инерции Jx и момент сопротивления Wx. В настоящее время разработаны балки с продольно - гофрированными стенками (рис. 1.19). Локальная потеря устойчивости стенки вызывает благоприятный эффект амортизации стенки в вертикальном направлении и позволяет в несколько раз снизить динамическую часть напряжений сг иУгКр и соответственно повысить долговечность балки [76]
Конструкция с гибким креплением рельсов через стальные прокладки с выпуклой цилиндрической поверхностью - решение Киневского А.И. из Челябинского филиала ЦНИИПСК (тип 21). В этом случае улучшается, за счет центрирования рельса относительно стенки, напряженно-деформированное состояние подкрановых конструкций, но работа крановых конструкций ухудшается. Крутящий момент с балки переходит на кран, износ рельса увеличивается.
Наилучшими конструктивными решениями приведенными в [66], являются балки с верхним поясом из симметричной пары уголков с листом или без листа с соединением элементов на фрикционных болтах [32, 76]. Усталостная прочность соединений на фрикционных болтах [32, 76] возрастает в 10 и более раз по сравнению со сварными соединениями. Выполнение нижнего пояса из уголков повышает трудоемкость и стоимость конструкции. Для уменьшения трудоемкости нижний пояс лучше выполнять из листа, приваренного к стенке. Из решений 14-19 наилучшими являются 16 и 17, у которых кромка стенки выступает над верхним поясом. Это гарантирует центральное нагружение стенки и отсутствие кручения пояса. Трудоемкость балок 18 и 19 значительно выше, чем у 16 и 17, а работоспособность сомнительна и изготавливать их не имеет смысла.
Влияние местных изгибных напряжений в стенке балки на выносливость
Колесо крана, рельс и подкрановая балка работают как единый механизм и от надежной совместной работы частей этого механизма зависит надежность всей подкрановой конструкции [85].
Каждое из колес крана, катясь по рельсу, генерирует два силовых динамических импульса, перетекающих на рельс от сил Р и Т. Чем больше эксцентриситет каждой из сил, тем больше импульсы, одновременно возникает дополнительный крутящий импульс Л/кр.
В настоящее время у кранов применяются двухребордные колеса, передающие на главу рельса основные вертикальные силы Р и горизонтальные силы Т, возникающие при перекосах крана и торможении его тележки.
По нормам [130] горизонтальное усилие составляет 10% от вертикальной силы при тяжелом режиме работы 8К, 7К.
По исследованиям [36, 47] усилие Т может значительно превышать эту величину. Сила Т приложена с эксцентриситетом, равным высоте рельса, и создает крутящий момент, складывающийся с моментом от внецентренно приложенной вертикальной силы Р
Крутящий импульс может быть любого направления и быстро выводит применяемые крепления из строя. Так в литейном цехе Череповецкого металлургического комбината все крепления рельсов соединены проволокой для исключения падения креплений вниз и возникновения несчастных случаев.
Сила Т изгибает шейку рельса и создает неблагоприятное напряженное состояние. Часто рельсы ломаются на куски длиной по 1..Л,5 м. и создают аварийную ситуацию [85, 121]. Замена рельсов обычно происходит часто (на Череповецком комбинате срок эксплуатации рельсов составляет около года).
В безребордных колесах функции гребней переданы направляющим роликам, фиксирующим кран на рельсе (рис. 2.3). К сожалению, направляющие ролики передают горизонтальные силы Тиа главу рельса, и крутящий импульс не пропадает. Но, тем не менее, безребордные колеса намного выгоднее, чем ребордные. Сопротивление продольному движению крана уменьшается около двух раз и это влечет к уменьшению мощности двигателя, редуктора и в конечном итоге на 20.. .30% уменьшает материалоемкость крана. Например, кран для транспортирования слябов [134, с. 176] при грузоподъемности 64 т (пролет 28 м) имеет массу 190 т. Масса крана в 3 раза превышает грузоподъемность. Ковочный кран при грузоподъемности 75 т. [134, с. 188] имеет массу 214 т. Масса крана в 214/75 = 2,85 раза больше грузоподъемности.
Кран для раздевания слитков [134, с. 143] при грузоподъемности 50 т имеет массу 395 т. Масса крана в 395/50 = 7,9 раза превышает грузоподъемность! Следовательно, уменьшить сопротивление продольному движению крана выгодно, так как это приводит к значительному уменьшению массы крана.
Рельс является именно тем регулятором, первым воспринимающим динамические импульсы от колеса крана и распределяющим их на балку. От профиля сечения рельса в сильной степени зависит передача импульсов на балку: локально, сосредоточенно или в работу будет вовлечена значительная длина балки. Изменяя профиль сечения, мы управляем динамическими импульсами и добиваемся плавного, ламинарного перетекания их с рельса на верхний пояс балки. Возмущения, вихри в поле напряжений, генерируемые механизмом колесо-рельс, являются основной причиной возникновения и развития усталостных трещин [79].
Применяемые в настоящее время крепления рельса к балке не обеспечивают сдвигоустойчивого соединения с верхним поясом, поэтому рельс не составляет единого целого с балкой,
Существующие рельсы по профилю сечения и по распределению стали по нему далеки от совершенства. На рельс действуют большие сосредоточенные подвижные силы Р и Г, стремящиеся изогнуть и опрокинуть его. Устойчивость рельса зависит от ширины Ъ подошвы и от высоты h. К тому же горизонтальная сила Т изгибает шейку рельса, требуя увеличения ее толщины. Моменты сопротивления обычных рельсов (верхний WXB и нижний WXH) не равны между собой и это свидетельствует о нерациональности использования материалов в сечении.
Таким образом, ясны технические задачи, решение которых позволит продлить срок службы подкрановых конструкций: необходимо обеспечить плавность перетекания пульсирующих импульсов от колеса крана на рельс и далее на подкрановую балку; необходимо увеличить устойчивость рельса без увеличения его материалоемкости; уменьшить величину опрокидывающего момента Мопр = Ре±Thp, то есть уменьшить возмущения, вихри в поле напряжений; уменьшить изгибные напряжения и тем самым выровнять напряжения в шейке рельса; заставить верхнюю и нижнюю части сечения работать на изгиб равноценно и одновременно необходимо увеличить сопротивляемость рельса скручиванию.
Устойчивость рельса удалось резко увеличить, понизив приложение силы Т и одновременно увеличив ширину подошвы Ь. Динамические импульсы этим были разделены и направлены по двум каналам.
Управление силовыми импульсами и выносливостью конструкций Проведем аналогию между силовым нагружением механизма «колесо, рельс, подкрановая балка» и гидравлическим потоком жидкости. Если русло реки, в котором течет поток, гладкое без перегибов и резких изменений сечения, то течение жидкости ламинарное без вихрей и турбулентности. Если же в русле реки на пути потока встречаются препятствия, а именно: резкие повороты, камни, сужения, то в потоке появляются вихри, водовороты, турбулентность, приводящие к интенсивному размыву русла [79].
