Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

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*

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

Расчётные силы, которые передаются на балку от колёс кранов через рельс. Нормативные тормозные силы при тяжёлом 8К режиме работы: Т_н= 0,2Р_н= 0,2×4000 = 800 гН. Примечание: было Т_н= 0,1Р_н 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: R_y = 230; срез R_ср = 0,58 R_y = 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.