Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

RAPIDLY CONSTRUCT CRANE GIRDERS HIGH OF TECHNICAL EXPLOITATION RESOURCE

Nezhdanov K.K. 1 Kuzmishkin A.A. 1 Kurtkezov D.Kh. 1 Garkin I.N. 1
1 Penza State University of Architecture and Construction
Рассматривается актуальный вопрос повышения технического ресурса подкрановых балок. Даётся обоснования преимуществ двухпролётных неразрезных подкрановых балок в сравнении с разрезными. Отмечается, что прокатные двутавровые подкрановые балки исключают возможность внезапного обрушения даже балок, которые повреждены усталостными трещинами в подрельсовой зоне. Такое положительное свойство приобретено из-за статической неопределимости неразрезной подкрановой конструкции. К другим положительным свойствам также стоит отнести снижение материалоёмкости примерно на 30 %, снижение трудоёмкости изготовления в 2 раза, обеспечивается автоматизация трудоёмкого процесса рихтовки по восстановлению проектного положения балок вмести с рельсовыми путями. Использование технических решений описанных в статье при строительстве новых и реконструкции старых зданий и сооружений, предприятий тяжёлой промышлености, может дать значительный экономический эффект.
The most important items to increase technical resource crane girders. Justification given advantages of continuous two-span crane beams in comparison with the split. Notes that rolling I-beam crane exclude the possibility of a sudden collapse of even the beams that are damaged fatigue cracks in under-rail zone. Such a positively acquired property because of redundancy of a continuous construction crane. Other positive properties as well, reducing material costs include approximately 30 %, reducing the complexity of manufacturing a factor of 2, provided Automate time-consuming process of straightening the restoration project beams contain with the provisions of the rail tracks. The use of technical solutions described in this article in the construction of new and reconstruction of old buildings, heavy industrial enterprises, can provide significant economic benefits.
local variations
under-rail zone
endurance
high technical resource uncut rolling two-span crane girders

В цехах чёрной и цветной металлургии подкрановые балки являются наиболее ответственными и интенсивно эксплуатирующимися стальными конструкциями, поэтому повышение безопасной эксплуатации подкрановых балок с тяжёлым 8К режимом работы мостовых кранов и снижения трудоёмкости их сооружения – высока. В России минимальный срок их безопасной эксплуатации ограничен 10 годами [13].

Эксплуатация любых стальных конструкций с любыми трещинами запрещена [9], однако этот запрет для подкрановых балок в цехах чёрной металлургии постоянно нарушается. Расчёт подрельсовой зоны на выносливость, производимый на базе 2 млн циклов прокатываний колёс кранов недостаточен [11], [3] [4], так как при интенсивной эксплуатации за 10 лет накапливается не менее 6 млн. (по 2 млн. за »3 года).

Исследованиями [2],[3],[5],[6],[8],[9] установлено, что сварные подкрановые балки при качественных поясных швах с К-образной разделкой кромок и швах с полным проваром не гарантируют минимальный срок службы 10 лет. Кроме того, трудоёмкость изготовления таких балок велика. Проблема низкой выносливости возникла в тридцатых годах ХХ века при внедрении сварных балок, взамен массивных клёпаных [14],[1].

Массивные клёпаные пояса имели значительные моменты инерции кручения и изгиба , которые являлись макрорегуляторами колебаний локальных сдвигов в подрельсовой зоне балок. Замена массивного клёпаного пояса балки сварным поясом привела к уменьшению в десятки раз моментов инерции кручения и изгиба . Макрорегулятор колебаний локальных напряжений был ликвидирован, а технический ресурс был опасно уменьшен в 2…3 раза [2],[3],[5],[6],[8],[9].

Эти изменения спровоцировали проблему низкой выносливости подрельсовой зоны сварных балок и преждевременное появление недопустимых усталостных трещин! По мере накопления циклов нагружений скорость роста каждой усталостной трещины возрастает! Трещины сливаются друг с другом и образуют единую трещину, что приводит к аварийной ситуации и увеличению опасности обрушения однопролётной подкрановой балки вместе с мостовым краном, транспортирующим жидкую сталь.

Техническую ошибку, приводящую к аварийной ситуации, необходимо устранить, трудоёмкость изготовления уменьшить не менее чем в два раза, а технологичность изготовления повысить!

Известно, что цельные прокатные двутавровые и тавровые профили имеют наивысший технический ресурс, так как в этом случае эффективные коэффициенты концентрации напряжений минимальны [12]. Важной особенностью прокатных профилей является значительное уменьшение трудоёмкости изготовления конструкций, поэтому необходимо расширять объём их использования.

Наиболее высокоресурсными из известных соединений являются фрикционные соединения, имеющие минимальный эффективный коэффициент концентрации напряжений [12]. Они также наиболее технологичны при изготовлении и монтаже конструкций. Кроме того, фрикционные соединения исключают сдвиги между соединяемыми деталями. Следовательно, подкрановые балки следует делать цельными – из прокатных двутавровых профилей, тавров, уголков, а соединять их друг с другом высокоресурсными фрикционными шпильками [7], имеющими наивысший технический ресурс и исключающими сдвиги элементов друг относительно друга.

Для двутавровых прокатных подкрановых балок длительными усталостными испытаниями и статистической обработкой получены линии регрессии и диаграммы пределов выносливости на базе 6 млн циклов прокатываний колёс мостовых кранов [3], [4], [8]. Методика расчёта на выносливость также разработана.

Проблема резкого повышения технического ресурса подкрановых балок при 6 млн циклов прокатываний колёс мостовых кранов и тяжёлом режиме работы 8К решена заменой сварных разрезных балок прокатными балками из пары двутавровых профилей, объединённых в единый монолитный замкнутый контур фрикционным соединением.

Применение двухпролётных подкрановых балок расширяет объём использования наиболее технологичных прокатных профилей и снижает трудоёмкость их изготовления и монтажа! На преждевременное появление опасных усталостных трещин в сильной степени влияют крутящие моменты от колёс кранов .

Преимущества замкнутых коробчатых контуров сечений балок:

  • Гарантируют аномальное повышение моментов инерции кручения в 350…500 раз, поэтому балки легко воспринимают .
  • Выносливость подрельсовой зоны прокатных двутавровых балок в 1,9…2 раза выше, чем балок со сварными швами [3], [4], [8].
  • Двухпролётные же подкрановые балки исключают возможность внезапного обрушения даже балок, которые повреждены усталостными трещинами в подрельсовой зоне. Такое положительное свойство приобретено из-за статической неопределимости неразрезной подкрановой конструкции.
  • Прокатные балки из готовых двутавровых профилей снижают трудоёмкость изготовления более чем в 2 раза, так как сварки нет.
  • Снижают материалоёмкость на 35 %...36 % также из-за статической неопределимости конструкции.
  • Неразрезность конструкции двухпролётной балки обеспечивает автоматизацию трудоёмкого процесса рихтовки по восстановлению проектного положения балок вместе с рельсовыми путями.
  • Мостовой кран с грузом является актуатором, который воздействует на двухпролётные подкрановые балки и создаёт действующие вверх (отрывающие) опорные реакции, которые используем для рихтовки рельсовых путей по высоте и в плане.

Следовательно, двухпролётные прокатные балки с замкнутым коробчатым профилем имеют неоспоримые преимущества по сравнению с разрезными сварными балками, и их следует широко использовать.

Снижение материалоёмкости на 35 %...36 % двухпролётных балок достигнуто из-за особенности работы их при подвижных воздействиях колёс мостовых кранов и возникновении опорного момента над центральной опорой. Опорный же момент предотвращает внезапное обрушение в экстремальной ситуации при появлении усталостных трещин в подрельсовой зоне.

В статье [8] выполнено сравнение однопролётной разрезной и двухпролётной двутавровой в сечении балки для восьмиколёсных, колодцевых кранов по ГОСТ 12612-79 грузоподъёмностью Q = 16/20 т [7] с тяжёлым режимом работы 8К. Масса крана G = 195 т. Захват груза жёсткий клещами. Габарит этого крана В2Кр = 10,24 м. Формула колёс с одной стороны колодцевого крана: 0,8+5,7+0,8 = 7,3 м. Расстояние между колёс сцепки из двух кранов Δ = 10,24-7,3=2,94 м. Нормативные силы воздействий колёс кранов ; Сталь балки – малоуглеродистая по ГОСТ 27772-88, С255, ВСт3 сп5-1 [11].

Кран работает непрерывно. Он транспортирует слитки, загружает их в нагревательные колодцы, а горячие слитки подаёт на рольганги прокатных станов. Жёсткий захват груза клещами приводит к максимальной динамике локальных воздействий колёс кранов. В отдельных случаях фактические нагрузки могут вдвое превысить значения, рассчитанные без учёта погрешностей изготовления. В настоящее время в Актуализированной редакции «Нагрузки и воздействия» СНиП 2.01.07-85* коэффициент локальных динамических воздействий колёс кранов обосновано увеличен: от до 1,8!

В однопролётной разрезной балке (два крана Q = 16/20 т) максимальный изгибающий момент возникает в пролёте Мmax =4746239,6 гНсм (136 %) [8]. В двухпролётной балке с пролётами . Максимальный изгибающий момент в двухпролётной балке Мmax = 3491022гНсм (100 %).

Покажем как, используя новую двухпролётную, с замкнутым коробчатым профилем подкрановую балку и новый прямоугольный профиль рельса (см. таб. 1,2), управлять выносливостью статически неопределимой балки и повышать ресурс её эксплуатации.

Таблица 1. Толстостенные двутавровые рельсы, эквивалентные стандарт­ным фигурным рельсам по ГОСТ 4121-62*

Тип рельса

Площ. А, см2

Jx, см4

Толщ. t, см

Ь, см

h, см

JKp, см4

КР mах

246,14

13576,4

5,6

16,5

22

2033,7

КР 140

195,53

7427,23

5

15,371

18,364

1176,5

КР 120

150,44

4923,79

4,4

13,0

17,0

485,4

КР100

113,32

2864,73

3,8

13,45

14,906

404,4

КР80

81,13

1547,4

3,2

9,419

12,9144

150,5

КР70

67,3

1081,09

2,8

8,9657

11,7044

126,4

Таблица 2. Прямоугольные рельсы, равноценные по площади сечения и моменту инерции Jx толстостенным двутавровым рельсам

Тип рельса

Площ. А, см2

Jx, см4

t, см

h, см

n

JKp, см4

Увелич,

раз

КР max

246,14

13463,31

9,607

25,62

2,(6)

4084,34

2,01

КР 140

195,53

7427,23

9,158

21,35

2,7466

3293,91

2,8

КР120

150,44

4923,79

7,59

19,82

2,61

1585,66

3,267

КР100

113,32

2864,73

6,506

17,417

2,667

859,61

3,92

КР80

81,13

1547,4

5,363

15,129

2,821

400,71

2,66

КР70

67,3

1081,09

4,847

13,884

2,864

268,3

2,12

Расчётные силы, которые передаются на балку от колёс кранов через рельс. Нормативные тормозные силы при тяжёлом режиме работы: Тн= 0,2Рн= 0,2×4000 = 800 гН. Примечание: было Тн= 0,1Рн в два раза меньше. Действие массы конструкций и ремонтных грузов учтены увеличением силы P на 3...4 %. Расчёт произведён по нормам [3]. Расчётное сопротивление С255: изгиб: Ry = 230; срез Rср = 0,58 Ry = 133,4 МПа.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

  1. Проблема низкой выносливости подрельсовой зоны сварных балок решена выполнением двухпролётных подкрановых балок из пары прокатных профилей с замкнутым коробчатым профилем, что обеспечило высокую выносливость при 6 млн циклов прокатываний колёс кранов!
  2. Объединение пары прокатных двутавровых профилей в коробчатую, двухпролётную подкрановую балку снизило трудоёмкость изготовления более чем в 2 раза, а материалоёмкость на 33 %...36 %.
  3. Стандартный крановый рельс Кр 140 (фигурный профиль) заменён равноценным по площади сечения и моменту инерции Jx прямоугольным рельсом Кр 21,35×9,16, обладающим увеличенным моментом инерции кручения рельса в 3293,91/1176,5 = 2,8 раза.
  4. Прямоугольный рельс гарантирует значительное, пропорциональное моменту инерции рельса при кручении повышение выносливости подрельсовой зоны двухпролётной прокатной подкрановой балки, при 6 млн циклов прокатываний колёс кранов.
  5. Неподвижное фрикционное соединение рельса с верхним поясом балки исключило сдвиги рельса, обеспечило слитную работу прямоугольного рельса с двухпролётной прокатной подкрановой балкой. Это в свою очередь экстремально увеличило выносливость.

Реализация изложенных выше технических решений на практике поможет: существенно снизить эксплуатационные издержки промышленных предприятий (особенно тяжёлого машиностроения и чёрной металлургии), повысить безопасность и надёжность подкрановых конструкций в цехах и свести к минимуму затраты на реконструкцию и техническое перевооружение действующих производств. Эти меры положительно скажутся на развитии как отдельно взятого региона, так и всего народного хозяйства РФ.

Рецензенты:

Ласьков Н.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза.

Логанина В.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Управление качеством и технологии строительного производства», ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза.