Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Нежданов К.К. 1 Кузьмишкин А.А. 1 Курткезов Д.Х. 1 Гарькин И.Н. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

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.

Статья в формате PDF

150 KB

локальные колебания

подрельсовая зона

выносливость

двухпролётные неразрезные прокатные подкрановые балки

высокий технический ресурс

1. Евграфов Г.К. Мосты на железных дорогах. Т.II. Государственное транспортное железнодорожное издательство. – М.,1947. – 564 с.

2. Камбаров, В.И. Влияние технологических факторов на характеристики крановых нагрузок, ресурс и долговечность сварных подкрановых балок в цехах металлургического производства [Текст]: дис... канд. техн. наук / В.И. Камбаров. – М.: МИСИ, 1988. – 236 с.

3. Нежданов, К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчёта [Текст]: дисс. … д-ра техн. наук / К.К. Нежданов. – Пенза, 1992. – 349 с.

4. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчёта [Текст]: моногр./ К.К. Нежданов. – Пенза: ПГУАС, 2008. – 288с. (Лауреат конкурса на медали и дипломы РААСН строительных наук 2011 г. 16.02.2012 г.)

5. Нежданов К.К. Новые эффективные профили [Текст] / К.К. Нежданов, А.А. Кузьмишкин, С.Г. Рубликов // Известия высших учебных заведений. Строительство. –– 2005. – № 5. – С. 79-84.

6. Нежданов К.К. Способ рихтовки неразрезных подкрановых балок [Текст] / К.К. Нежданов, А.А. Кузьмишкин, И.Н. Гарькин // Молодой ученый. – 2013. – № 6. – С. 99-102.

7. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Артюшин Д.В. Способ проката горячекатаной арматуры периодического профиля. RU 2467075 C2, МПК C21D8/08. Опубл.: 20.11.2012 Бюл. №32.

8. Нежданов К.К., Лаштанкин А.А., Курткезов Д.Х. Решение проблемы обеспечения достаточной выносливости и ресурса интенсивно эксплуатирующихся подкрановых балок // Строительная механика и расчёт сооружений. – М., 2013. – № 5. – С.41…47.

9. Правила производства и приёмки работ. Металлические конструкции [Текст]: СНиП Ш-18-75. – М., 1976. – 161 с.

10. Сабуров, В.Ф. Закономерности усталостных повреждений и разработка метода расчётной оценки долговечности подкрановых путей производственных зданий [Текст]: дис... д-ра техн. наук / В.Ф. Сабуров. – Челябинск, 2002. – 388 с.

11. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. – М.,1990. – 96 с.

12. Справочник по кранам: В 2 т. Т.1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчёта кранов, их приводов и металлических конструкций/ В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.; Под общ. ред. М.М. Гохберга. – М.: Машиностроение, 1988. – 536 с. Т.2. Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов [Текст] / М.П. Александров, М.М. Гохберг.

13. Техническая эксплуатация стальных конструкций производственных зданий ОРД 0000089 [Текст]. – М.: МИНЧЕРМЕТ, 1989. – Вводится в действие с 3.08.1989. – 98 с.

14. Хомутинников, Н.И. Металлические конструкции промышленных зданий [Текст] / Н.И. Хомутинников, К.Д. Морозов. – Л.; М.: Госстройиздат, 1933. – 536 с.

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.

Библиографическая ссылка