При торможении козлового крана в элементах металлоконструкции возникают нагрузки, обусловленные взаимодействием приводных колес с рельсами. При неравномерном торможении, вызванном разностью тормозных моментов тормозов на приводных колесах, происходит поворот крана вокруг своей оси. Причиной неравномерного торможения может стать одна из следующих причин: непостоянство результирующей силы нормального давления тормозных колодок на тормозной шкив, наличие загрязняющих веществ в тормозных колодках, несвоевременность приложения тормозного момента и др. При повороте крана возникает контакт реборды кранового колеса с рельсом. Это вызывает появление дополнительных нагрузок от перекоса опор металлоконструкции, которые вызывают дополнительные напряжения в его элементах. В некоторых случаях эти напряжения могут превысить допускаемые, что может привести к снижению надежности грузоподъемных машин.
Целью исследования является определение предельных значений неравномерности тормозных усилий механизма передвижения крана с учетом допускаемых напряжений, возникающих в наиболее нагруженных узлах металлоконструкции.
В работе [4] показаны схемы ограничения перекоса крана при касании рельса ребордами. Рассмотрим два случая перекоса металлоконструкции крана:
1) перекос колес крана с линейным расположением приводов (рис. 1а);
2) перекос колес крана с диагональным расположением приводов (рис. 1б).
Рис. 1. Расчетная схема нагрузок при перекосе крана
а) – линейное расположение приводов; б) – диагональное расположение приводов.
При торможении крана на его ходовую часть действуют следующие нагрузки:
1) М1, М2 – момент, создаваемый тормозом на первом и втором колесе соответственно;
2) Wин – сопротивление торможению от сил инерции:
,
где G – вес транспортируемого груза;
GK – собственный вес крана или тележки;
υК – скорость движения крана;
g – ускорение свободного падения;
tторм – время торможения:
,
[а] – допустимое ускорение при торможении крана;
3) WС – статическое сопротивление передвижению. Статическое сопротивление передвижению рассчитывается согласно методике, представленной в [1]:
,
где Wтр – сопротивление от трения в ходовых частях на прямолинейном участке пути; Wкр – сопротивление от трения в ходовых частях на криволинейном участке пути; Wпер – сопротивление движению от перекосов; Wу – сопротивление движению от уклона пути.
Для кранов, работающих на открытом воздухе, следует также учитывать влияние ветровой нагрузки Pв [3].
При перекосе крана возникают дополнительные нагрузки:
1) R – контактные силы. Величина контактной силы, приведенной к колесу крана, составит:
- для крана с линейным расположением приводов:
;
- для крана с диагональным расположением приводов:
,
где WA, WB – тормозные усилия на соответствующей стороне крана.
LK – пролет крана;
B – база крана;
2) Мтр.р. – момент от сил трения качения в точках контакта реборды и рельса:
,
где f – коэффициент трения качения;
3) Fтр.о. – осевая сила трения скольжения. Возникает при скольжении реборды колеса по рельсу:
,
где fск – коэффициент трения скольжения.
Для определения изменения нагрузок в зависимости от неравномерности тормозных моментов проведено моделирование процесса торможения козлового крана КК-12,5-32, характеристики которого представлены в табл. 1. Для расчета динамических нагрузок в металлоконструкции крана использовался модуль конечно-элементного анализа, в составе программного продукта MathCad. Данный модуль позволяет проводить анализ напряженно-деформированного состояния трехмерных объектов любой сложности при произвольном закреплении, статическом или динамическом нагружении [2].
Таблица 1
Основные характеристики козлового крана КК-12,5-32
|
Грузо-подъем-ность G, т |
Вес крана GK, т |
Скорость крана, υK, м/мин |
Пролет крана LK, м |
База крана, B, м |
Диаметр ходового колеса, DK, мм |
Диаметр цапфы, dц, мм |
Тормозной момент, MT, Н·м |
|
12,5 |
40 |
63 |
32 |
8 |
500 |
62,5 |
200 |
С целью определения наиболее нагруженного узла металлоконструкции при перекосе моделировалась ситуация, когда одна сторона крана тормозится номинальным усилием, а тормозное усилие, возникающее в тормозе другой стороны крана, уменьшается в пределах 0-50%. Из-за неравномерности усилий, приложенных на разных сторонах крана, возникает крутящий момент, который приводит к контакту реборд крановых колес и рельса.
,
где l – расстояние между приводными колесами крана.
Из-за жесткого закрепления опор крана и крановой балки силы, вызываемые перекосом, приводят к появлению в опорах изгибающих моментов величиной:
,
где ΣFк – сумма сил, приложенных в точке контакта колеса с рельсом;
h – высота опоры.
Результаты расчётов напряжений в элементах металлоконструкции крана от действия изгибающих и крутящих моментов представлены на рис. 2 и 3. Как видно из рисунков, максимальные изгибающие моменты, а следовательно, и напряжения возникают в местах закрепления опоры с крановой балкой.
Рис. 2. Распределение напряжений в металлоконструкции при перекосе крана с линейным расположением приводов
Рис. 3. Распределение напряжений в металлоконструкции при перекосе крана с диагональным расположением приводов
Согласно [5], допускаемые напряжения в металлоконструкции представленного крана не должны превышать 165 Н/мм2. Этим допускаемым напряжениям соответствует определённая величина неравномерности тормозных усилий, действующих на металлоконструкцию крана.
Результаты моделирования процесса торможения крана с перекосом, вызванным неравномерностью тормозных моментов (рис. 4), показывают, что более опасным для металлоконструкции является перекос колес крана с диагональным расположением приводов. Неравномерность тормозных моментов при таком перекосе не должна превышать 37,1%. Менее опасным является перекос крана с линейным расположением приводов, который допускает неравномерность тормозных моментов, не превышающую 39,8%.
Рис. 4. Изменения напряжения в наиболее нагруженном узле металлоконструкции крана в зависимости от неравномерности тормозных моментов (1 – при перекосе крана с линейным расположением приводов; 2 – при перекосе крана с диагональным расположением приводов)
Выводы
1. В процессе торможения при контакте крановых колес с рельсом наиболее нагруженным будет узел соединения опоры с крановой балкой.
2. При перекосе крана, вызванном неравномерностью тормозных моментов механизма передвижения, наиболее опасным для металлоконструкции является перекос колес крана с диагональным расположением приводов.
3. Допускаемая неравномерность тормозных усилий, при которых наибольшие напряжения в металлоконструкции не превысят допускаемых значений, для крана с линейным расположением приводов составляет 39,8%, с диагональным – 37,1%.
Рецензенты:
Адигамов К.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика и конструирование машин», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты.
Ляшенко Ю.М., д.т.н., профессор кафедры «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств», Шахтинский институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) имени М.П. Платова, г. Шахты.