Надійність конструкцій буксирувальних канатних доріг

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

УДК 624.042:625.576.3

НАДІЙНІСТЬ КОНСТРУКЦІЙ БУКСИРУВАЛЬНИХ КАНАТНИХ ДОРІГ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СКЛЯРЕНКО СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Полтава 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор Пічугін Сергій Федорович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри конструкцій із металу, дерева та пластмас.

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Єрмак Євгеній Михайлович, Українська державна академія залізничного транспорту, професор кафедри будівельних матеріалів, конструкцій та споруд.

Кандидат технічних наук, доцент, Перетятько Юрій Григорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри металевих і дерев'яних конструкцій.

Захист дисертації відбудеться 16 грудня 2008 року о 13²⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, проспект Першотравневий, 24, ауд. 218.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, проспект Першотравневий, 24.

Автореферат розісланий “12” листопада 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський



анотаціЯ

Скляренко С.О. Надійність конструкцій буксирувальних канатних доріг. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2008. буксирувальний канатний дорога навантаження

Дисертацію присвячено оцінці надійності конструкцій буксирувальних канатних доріг на основі аналізу напружено-деформованого стану їх несучих елементів та навантажень на них, виробленню рекомендації з інженерних методів розрахунку таких конструкцій. Розроблені алгоритми розрахунку буксирувальних канатних доріг, за допомогою яких стало можливим виконання проектування нових, перевірочних розрахунків існуючих і повторно встановлюваних підйомників. Виконано експериментальні натурні та лабораторні перевірки розробленої теорії. Проведено розрахунок конструкцій за допомогою відомих програмних комплексів, стосовно сталевих конструкцій опор і методів оцінювання ймовірності безвідмовної роботи щодо основного несучого елемента підйомника - несучо-тягового троса. Запропоновано доповнення до проекту нормативного документу. Удосконалено конструктивне рішення проміжних опор буксирувальних канатних доріг. Застосування для споруд теорії імовірнісних розрахунків дозволило визначити для заданих класів відповідальності споруд підйомників необхідні коефіцієнти надійності за призначенням (г_п). Наведено методику розрахунку надійності несучо-тягового троса буксирувальних канатних доріг під дією ожеледних навантажень.

Ключові слова: надійність, буксирувальні канатні дороги, сталеві конструкції опор підйомника, несучо-тяговий трос, ожеледні навантаження на несучий трос.



АННОТАЦИЯ

Скляренко С.А. Надёжность конструкций буксировочных канатных дорог. -Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2008.

Диссертация посвящена оценке надежности конструкций буксировочных канатных дорог, разработке рекомендаций по инженерным методам расчета таких конструкций.

В первом разделе выполнен анализ состояния проблемы и известных исследований, относящихся к этому научному направлению. Определены задачи данной диссертационной работы.

Во втором разделе разработаны и усовершенствованы методики расчёта конструкций буксировочных канатных дорог. Основой стали методики расчёта подобных подвесных сооружений, в частности методика для грузовых подвесных канатных дорог. Предложенные зависимости учитывают характер нагрузки, прикладываемой к элементам буксировочной канатной дороги. Разработана классификация и методы определения этих нагрузок.

Третий раздел работы посвящен экспериментальным исследованиям нагрузок, которые передаёт лыжник несуще-тяговому тросу; характеристик, которые влияют на эти значения; нагрузок, которые передаёт несуще-тяговый трос промежуточным опорам и конечным станциям подъёмника. Особое внимание уделено уточнению коэффициента трения лыж по снегу и исследованию зависимостей и взаимодействия между элементами расчётной схемы буксировочной канатной дороги. Выполнена проверка предложенной во втором разделе методики расчёта.

В четвертом разделе диссертации выполнен анализ экспериментальных данных с разработкой эмпирических зависимостей, уточняющих методику расчёта. Разработана принципиально новая расчётная схема, позволяющая моделировать единичные загрузки и аварийные ситуации. Проведён анализ дефектов конструкций буксировочных канатных дорог и методы устранения неточностей в процессе строительства. Разработаны эмпирические графики экспресс-оценки веса оттяжного механизма и количества опор на склоне. Проведено усовершенствование конструкции промежуточной опоры.

В пятом разделе приведено решение задачи определения надежности стальных несуще-тяговых тросов буксировочных канатных дорог как основных несущих элементов подъёмника. Проведено обоснование коэффициента запаса прочности в несуще-тяговом тросе на действие основной и гололёдной нагрузок. Данные коэффициенты учитывают разработанную градацию видов буксировочных канатных дорог по классам ответственности.

Ключевые слова: надёжность, буксировочные канатные дороги, стальные конструкции опор подъёмника, несущее-тяговый трос, гололёдные нагрузки на несущий трос.



Sklyarenko S. Reliability of constructions towing rope-ways. - Manuscript.

Thesis for the Candidate Degree (Technical Sciences) in speciality 05.23.01 - building structures, buildings and constructions. - Poltava National Technical University named after Yuri Kondratyuk, Poltava, 2008.

The thesis is devoted to estimation of reliability of constructions towing rope-ways. A basis of investigations is an analysis of the tensely deformed state of their bearing elements and the loadings on them. The recommendations for engineering methods of calculation of such constructions were elaborated. The algorithms for calculation of towing rope-ways were worked out. By means of them it became possible to carry out designing of new and testing calculations for existing lifters. The experimental natural and laboratory testing of the theory developed were done. The calculation of constructions by means of the familiar program packages for steel constructions of bearing was carried out. The methods for estimation of probability of faultless work for calculation of the bearing-tractive rope were applied. Additions to the draft of a normative document were offered. The constructive solution for the intermediate bearings of the towing rope-ways was perfected. For the given classes of responsibility of lifter structures there were determined the reliability factors for the purpose (г_п). The methods for calculation of reliability of the bearing-tractive rope of the towing rope-ways as to action of icy loadings were presented.

Keywords: reliability, towing rope-ways, steel constructions of lifter bearings, bearing-tractive rope, icy loadings on bearing rope.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні актуальність питань проектування буксирувальних канатних доріг (БКД) та оцінки їх надійності обумовлюється проблемою недостатнього забезпечення гірськолижних схилів відповідним обладнанням, відсутністю досвіду створення вітчизняних підйомників, активним застосуванням канатних доріг, що вже були в експлуатації на схилах у Західній Європі, відсутністю нормативної бази, що регулювала б питання проектування, обстеження, повторного встановлення та експлуатації даних споруд. На сьогодні на вітчизняних схилах працює близько 500-600 підйомників і щорічно будується близько 20-30 нових.

Додаткові труднощі виникають унаслідок відсутності чіткої теорії розрахунку для більшості видів підвісних канатних доріг. Деякі різновиди (наприклад буксирувальні канатні дороги - рис. 1) взагалі не досліджені, хоча мають низку суттєвих особливостей, що впливають на характер навантаження несучих сталевих конструкцій. Також слід звернути увагу на врахування при повторному встановленні даного обладнання можливих дефектів і зношення конструкцій, пов'язаних з їх попередньою експлуатацією та умовами роботи.

Основною метою дослідження конструкцій підвісних канатних доріг (ПКД) є забезпечення достатнього рівня надійності при найменших можливих витратах. Одним з очевидних рішень цього питання є застосування при проектуванні ймовірнісних методів розрахунку і оцінки надійності конструкцій.

Таким чином, розвиток методів розрахунку металевих конструкцій підвісних канатних доріг з отриманням оцінки їх надійності та довговічності є проблемою актуальною, що має велике теоретичне і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з розробленням імовірнісних методів розрахунку сталевих конструкцій підвісних канатних доріг та підготовкою теоретичної бази для створення національних нормативних документів, що регулювали б відповідний напрям проектування.

Тема дисертації відповідає напрямам науково-технічної політики держави в галузі оцінювання технічного стану будівель і споруд згідно з Постановою Кабінету Міністрів України, №409 від 05 травня 1997 р. „Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж” і рішенням науково-технічної ради Держкомітету будівництва, архітектури та житлової політики (Держбуду) України від 16.11.2001 р., №63 „Про досвід НДІБК щодо вирішення науково-технічних проблем обстеження, оцінки технічного стану та підсилення конструкцій і будівель в умовах стислих термінів будівництва та реконструкції”.

Дослідження також пов'язані з планами наукової роботи кафедри конструкцій із металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка і виконувалась у розвиток держбюджетних науково-дослідних робіт „Розробка пропозицій по удосконаленню норм проектування будівельних конструкцій на основі дослідження їх надійності” (державний реєстраційний номер 6194U0400378) та „Розробка методів розрахунку надійності будівельних конструкцій і нормування навантажень на них” (державний реєстраційний номер 0196U000999).

Метою роботи є оцінка надійності несучих сталевих конструкцій буксирувальних канатних доріг та розвиток методів розрахунку їх сталевих несучих елементів.

Задачі дослідження:

- розробити методику розрахунку основних зусиль, що діють на несучо-тяговий трос (НТТ) буксирувальної канатної дороги;

- експериментально дослідити взаємодію елементів БКД і зусилля, що виникають у них;

- розробити класифікацію навантажень на сталеві елементи БКД, їх дефектів, методів обстеження та підсилення;

- удосконалити конструктивні рішення елементів підйомників підвісних канатних доріг;

- визначити рівень надійності сталевих конструкцій БКД і обґрунтувати коефіцієнти надійності за призначенням для несучо-тягового троса відповідно до класів відповідальності споруди БКД на дію основного й ожеледного навантажень.

Об'єкт дослідження - сталеві конструкції споруд буксирувальних канатних доріг.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан та навантаження на елементи сталевих конструкцій підйомника.

Методи дослідження - методи теоретичної механіки, будівельної механіки, теорії ймовірностей, статистичної обробки випадкових даних, експериментальні методи досліджень будівельних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено методику розрахунку буксирувальних канатних доріг із врахуванням специфіки навантаження на них від дії лижників;

- уперше проведено експериментальне дослідження роботи конструкцій БКД;

- розроблено класифікацію навантажень на елементи БКД, дефектів їх конструкцій;

- уперше досліджено і розроблено механізм повторного встановлення буксирувальних канатних доріг;

- для проектування підйомників БКД із різним рівнем надійності та її оцінки для існуючих споруд уточнено й обґрунтовано коефіцієнти запасу міцності та коефіцієнт умов роботи основного несучого елемента - несучо-тягового троса.

Практичне значення одержаних результатів роботи:

- розроблено інженерну методику розрахунку навантажень на конструкції буксирувальних канатних доріг;

- надано рекомендації до проекту нормативного документу стосовно проектування буксирувальних канатних доріг;

- результати дисертаційної роботи використано при проектуванні й обстеженні більше 10-ти підйомників канатних доріг на території України;

- на основі досліджень розроблені та підтверджені деклараційними патентами вдосконалення конструктивних рішень конструкцій канатних доріг.

Особистий внесок автора. Наведені в кандидатській дисертації результати досліджень отримані автором самостійно. В публікаціях у співавторстві здобувачеві належить: [1, 4, 8] - розробка теоретичних досліджень та планування експерименту, виконання експериментальних досліджень, аналіз отриманих результатів експерименту, складання висновків; [2] - аналіз і класифікація етапів повторного встановлення буксирувальних канатних доріг, теоретичне дослідження взаємодії основних зусиль у конструктивній схемі підйомника БКД; [3] - розроблення теоретичної частини та написання програми «ТР БКД», практичні розрахунки і розроблення методів підсилення підйомників БКД, аналіз набутого досвіду; [5] - аналіз та класифікація дефектів сталевих елементів буксирувальних канатних доріг, класифікація основних навантажень на них, теоретичне й експериментальне дослідження впливу горизонтальних складових навантаження на проміжну опору БКД; [6, 7] - основна ідея вдосконалення, розроблення методик виготовлення, монтажу та повторного встановлення конструкцій опор БКД.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати досліджень доповідалися на таких конференціях: науково-технічних конференціях ПолтНТУ (м. Полтава, 2004-2007рр); Міжнародній науковій конференції „Сучасне будівництво: конструкції, технології, перспективи” (м. Полтава, 20-21 травня 2004 р.); Шостому засіданні українського міжгалузевого науково-практичного семінару «Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення» (м. Київ, НТУ, 26-28 червня 2006р); П'ятій науково-технічній конференції «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди» (м. Рівне, НУВГП, 5-8 вересня 2006 р.); П'ятій науково-технічній конференції «Будівельні конструкції: сьогодення та перспективи розвитку» (м. Київ, УкрПСК, 19-22 вересня 2006 р.); Дев'ятій науково-технічній конференції «Будівельні конструкції: сьогодення та перспективи розвитку» (м. Київ, УкрПСК, 9-11 вересня 2008 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи наведені в 9-ти статтях, 6 з яких опубліковано у збірниках, що є фаховими виданнями.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних літературних джерел із 182 найменувань і 3 додатків. Дисертація викладена на 197 сторінках, у тому числі 9 сторінок вступу, 149 сторінок основного тексту, 21 сторінка додатків, 18 сторінок списку використаних джерел. Дисертація містить 94 рисунки та 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати, отримані автором, показана їхня наукова новизна, практичне значення та реалізація.

У першому розділі аналізуються стан питання і наукові досягнення в галузі досліджень сталевих конструкцій буксирувальних канатних доріг.

Підйомник буксирувальних канатних доріг складається із двох кінцевих станцій: привідна станція обладнана двигуном та обвідним шківом; натяжна станція обладнана механізмом натягу троса й обвідним шківом. Основний несучий елемент БКД - несучо-тяговий трос. Для ведення троса над поверхнею схилу по поверхні встановлені проміжні опори (стійки, балка-перемичка, в'язі, опорні балансири - роликові батареї на проміжних опорах). Для буксирування лижників на НТТ підвішені механізми буксирування - бугелі. В розділі наведена класифікація пасажирських підвісних канатних доріг та більш детальний аналіз конструктивних несучих сталевих елементів БКД.

Розвитком підвісних канатних доріг пасажирського та вантажного призначення, подібних до них споруд і навантажень на дані споруди в різні часи займались В.Н.Андрієвський, А.В.Александров, М.Б.Беркман, Г.Н.Бовський, В.В.Бургсдорф, В.Е.Бучинський, Ф.Л.Вайнштейн, Є.В.Горохов, А.І.Дукельський, Л.Г.Дмитрієв, Л.А.Загорянський, К.Н.Іллєнко, М.І.Кaзакевич, В.М.Кущенко, Н.І.Кірсанов, Г.Г.Куйбида, Ю.С.Леонтьєв, Р.Н.Мацелінський, Я.В.Назім, Е.А.Ратнер, Е.М.Сидорович, С.В.Турбін, В.М.Шимановський, О.В.Шимановський, В.С.Чаплін та ін.

Розвиток теорії надійності сталевих конструкцій було започатковано в працях М.С.Стрілецького, О.Р.Ржаніцина, В.В.Болотіна. Активно впроваджували ймовірнісні методи розрахунку будівельних конструкцій роботи шкіл В.Д.Райзера, М.Б.Краковського, В.П.Чиркова, М.М.Складнєва, О.С.Личева, С.А.Тимашева, О.П.Кудзіса, Б.Й.Снаркіса. В Україні цей напрям був сформований роботами А.В.Перельмутера, А.Я.Барашикова, С.Б.Усаковського, С.Ф.Пічугіна, О.В. Семка, Є.М. Єрмака, В.А.Пашинського, М.М.Застави, Р.І.Кінаша, Ю.Г. Перетятька. За кордоном цим питанням приділяли G. Augusti, A. Baratta, R.M. Bennett, К. Capura, F. Casciati, C.A.Cornell, J.С. M. Kasperski, N.C. Lind, C. Turkstra та інші дослідники.

На основі огляду літератури і проведеного аналізу стану питання сформульовані мета і завдання досліджень.

У другому розділі на основі методів проектування подібних підвісних канатних систем розроблено методику розрахунку буксирувальних канатних доріг.

Надійність та довговічність роботи БКД напряму залежить від надійності НТТ, як основного несучого елемента БКД. В практиці експлуатації підйомників БКД випадки аварій чи значних поломок опор підйомника майже не зустрічаються. Навпаки, випадки відмови НТТ (сходження з опорних балансирів, переломлювання троса, розрив троса) призводять до непрацездатного стану підйомника; вимагають проведення невідкладних ремонтних робіт, виконати які якісно в зимовий період неможливо; створюють значну небезпеку для лижників та обслуговуючого персоналу. Таким чином, забезпечення надійності НТТ є визначальним при проектуванні підйомника БКД.

При проведенні досліджень усі можливі навантаження, що діють на несучі конструкції БКД, було згруповано за двома напрямками та розділено на 3 основні групи відповідно до характеру роботи підйомника: 1) за напрямами навантаження - на вертикальне (за напрямок прийнята вертикаль до поверхні схилу в площині рами опори) та перпендикулярне до нього горизонтальне навантаження;

2) за характером роботи - експлуатаційне навантаження, аварійне та навантаження, що виникає при непрацюючому обладнанні (навантаження простою).

На рис. 3 показані сили, які діють при буксируванні лижника. Позначаючи через кут тертя лиж об сніг, з умови рівноваги сил E, Q і Z (тут Е -- зусилля упору лижника; Q -- вага лижника; Z -- зусилля буксирування), прикладених у точці О, проектуючи їх на вертикаль і горизонталь, одержуємо

, (1)

де - середній кут підйому траси; - середній кут відхилення буксирного троса; = arctg _Л - середній кут відхилення лижника від нормалі до схилу при буксировці; _Л - коефіцієнт тертя лиж об сніг.

Коефіцієнт тертя лиж об сніг залежить від багатьох факторів, але в середньому приймається _Л=0,12. Кут визначається як =arcsin (a/s), де а -- відстань від точки зачеплення лижника до несучо-тягового каната, що змінюється уздовж траси в порівняно невеликому діапазоні, у середньому = 26°-28°; s-- довжина розтягнутого бугеля.

В запропонованій моделі підйомника БКД граничні зусилля в тросі Т₁ - Т₄ будуть діяти на краях обох шківів: ведучого і веденого. Залежно від комбінацій завантаження можна визначити значення зусиль. Існує 2 варіанти найбільш несприятливого завантаження БКД: 1) МІN - повна відсутність лижників; 2) MAX - цілком завантажена лижниками підіймаюча гілка. Для варіанта БКД з нижнім положенням натяжної станції значення навантажень на кінцях нижнього обвідного шківа становить Т₁ = Т₄ = G₀ , де значення натяжного зусилля - G₀ залежить від ваги відтяжного вантажу і кратності поліспаста.

Запишемо узагальнюючі вирази для визначення основних силових параметрів:

(2)

де Т_і^С - зусилля натягу в і-й точці спускаючої гілки троса;

Т_і^П - зусилля натягу в і-й точці підіймаючої гілки троса;

Т_h - складова натягу від власної ваги троса, механізмів буксирування та навантаження, що спричиняють лижники (власна вага та тертя лиж об сніг);

Т_r - складова натягу обумовлена силою опору переміщенню несучо-тягового каната по опорних роликах;

Т_j - складова натягу, викликана силами інерції при пуску/гальмуванні канатної дороги (відповідно верхній/нижній знак).

Виходячи з рівнянь 2, запишемо рівняння граничних зусиль:

- граничні зусилля:

- - натяг в і-й точці



(3);

(4)

де l - горизонтальна проекція (закладення) профілю траси; h - вертикальна проекція (перепад) профілю траси; j - максимально допустиме прискорення при пуску/гальмуванні канатної дороги (приймаємо не більше 0,7 м/с²); - коефіцієнт статичного опору руху каната по роликах (0,015-0,035); l_i - горизонтальна проекція (закладення) профілю на i-тому прольоті; h_i - вертикальна проекція (перепад) профілю на i-му прольоті; q_гр , q_пор , q_пас.п , q_пас.н - навантаження (MAX, MIN) та їх проекції на вісь, паралельну схилу, та нормаль. Маркування, прийняте при зусиллі натягу Т, приймається таким чином: MAX, MIN - варіанти завантаження підйомника; ПД, СП - зусилля відповідно у підіймаючій чи спускаючій гілках НТТ. Найбільше зусилля в несучо-тяговому тросі дорівнює Т_мах=Т₁=Т₄. Діаметр троса визначається шляхом підбору троса заданої конструкції та маркувальної групи з врахуванням коефіцієнтів запасу міцності, які, відповідно до діючих на сьогодні нормативів, повинні складати 4,5 на основне (корисне) навантаження та 2,8 на ожеледне навантаження.

Навантаження, що трос передає на i- ту опору, Р_і, можна визначити по формулі:

, (5)

де - кут перелому хорд прольотів, ?_i , _i+1 - кути нахилу хорд прольотів.

Подальший розрахунок несучих конструкцій проміжних опор та кінцевих станцій виконують як для звичайних сталевих просторових рам із застосуванням відомих методик та програмних комплексів (наприклад Lira, SCAD Office та ін.).

На основі аналізу існуючих методик проектування, вивчення закордонного та вітчизняного досвіду організації гірськолижних центрів було сформовано методику збору вихідних даних для проектування, перелік та порядок проведення необхідних інженерних вишукувань; розроблено методику розрахунку навантажень на конструкції опор БКД, величин зусилля натягу та провисання троса. На основі розрахунків доведено, що при повторному встановленні найбільш поширених різновидів опор БКД закордонного виробництва горизонтальні складові при перевірочних розрахунках можна не враховувати. Розроблену методику реалізовано у вигляді програми «ТР БКД» і апробовано у реальному проектуванні.

Третій розділ. В експериментальній частині досліджень була перевірена відповідність розробленої теорії фактичній роботі конструкцій БКД. У цілому перевірялись такі чинники: 1) навантаження, яке лижник передає несучо-тяговому тросу; 2) коефіцієнт тертя лиж об сніг; 3) вертикальні навантаження, що сприймають несучі конструкції проміжних опор від дії несучо-тягового троса; 4) горизонтальні вітрові навантаження; 5) величина ходу відтяжної корзини. Експеримент проводився на базі підйомника буксирувальної канатної дороги в спортивно-туристичному комплексі «Корчак», с. Стасі Диканського району Полтавської області.

Під час проведення експерименту було визначено фактичний коефіцієнт тертя-ковзання _Л в реальних умовах. Для уточнення значення коефіцієнта тертя виміри проводились на різних ділянках траси та з лижниками різної маси відповідно до рекомендацій різних норм близько 40, 80 та 100 кг за допомогою пружинних динамометрів розтягу ДПУ 0,1/2. Середнє значення коефіцієнта тертя для всіх випадків склало _Л=0,152 (відхилення від теоретичного значення _Л=0,12 - 25%). При замірі основних характеристик - навантаження, що передає лижник несучо-тяговому тросу - фактичні величини були більшими за теоретичні в середньому на 15 %.

Виявлено що фактично значення складається із двох кутів: кут між тросиком бугеля та НТТ і між механізмом буксирування та НТТ ; та орієнтовно в 2 - 2,5 рази більше, ніж раніше обране емпіричне значення.

У ході експерименту практично перевірялись теоретичні значення навантажень, котрі передає несучо-тяговий трос металевим конструкціям опори БКД двома шляхами:

1) безпосереднім заміром зусиль

2) визначенням їх значень через прогини балки-перемички.

При вимірі навантажень, що сприймає проміжна опора від дії несучо-тягового троса з урахуванням заміряних зусиль від дії лижника, уточнення коефіцієнта тертя і зменшення маси лижника до фактичної (80 кг) можна зробити такі висновки:

- на підіймаючій гілці фактичні зусилля більші за теоретичні на 15%;

- на спускаючій гілці фактичні зусилля більші за теоретичні на 13,5%.

Очевидно що запропонована теорія досить добре обчислює усереднене значення навантаження на проміжну опору. При загальному підході, згідно вимогам коли навантаження від одного лижника приймається наближеним до середньостатистичного та розподіляється по всій довжині несучо-тягового тросу, дана методика дає чітку верхню і нижню межу навантаження. Проте дана методика не дає чіткого описання характеру навантаження.

Для визначенні горизонтальних складових навантаження при аварійному режимі роботи моделювалось можливе зачеплення бугеля за стійку проміжної опори. Заміри прогинів балки-перемички на дію на горизонтальних складових навантаження, її відхилення убік від сумарної дії вітрового й аварійного навантаження та порівняння цих даних з теоретичними виявили, що фактичні відхилення на 13 - 20% перевищують теоретичні дані. Це можна пояснити значним люфтом рами на кріпленнях стійок опори до анкерів.

Перевірка відомих коефіцієнтів тертя для бігових лиж при різних умовах та станах снігового покриву виявила їх відповідність даним натурного експерименту. Середнє значення коефіцієнта тертя, встановленого у лабораторних дослідженнях, у всіх експериментах знаходилась у межах табличних значень. Таким чином, їх можна застосовувати для проектування БКД.

Четвертий розділ присвячений уточненню методики розрахунку на основі аналізу отриманих експериментальних даних та досвіду проектування. Відповідно до помічених розходжень фактичного розташування елементів у схемі «лижник - несучо-тяговий трос» та прийнятої розрахункової схеми було проведено фотозйомку лижників різної маси в процесі підйому на різних ділянках схилу. Розшифровуючи обриси, з них знімались кути між основними осями поверхнею схилу, несучо-тяговим тросом, відповідними нормалями та перпендикулярами, нахилом лижника та тросиком буксирувального приладу. Отримані дані були піддані статистичному аналізу. Навантаження на несучо-тяговий трос безпосередньо залежить від кута, під яким навантаження від буксирування лижника Z передається на нього. Відповідні уточнення було внесено до розрахункової схеми. Помічені залежності були встановлені між кутами , до маси лижника m та кутами ,

.

Слід відмітити, що при отриманні даної емпіричної залежності (6) було використано проміжні коефіцієнти К₁, К₂. Для точності опису фактичних значень (відхилення не перевищують 6%) при виведенні функцій даних коефіцієнтів було застосовано обмеження щодо маси лижника кг. За умови, що нормована середньостатистична маса лижника (математичне сподівання маси) приймається у розрахунках = 80 кг, дане рівняння може бути застосованим. Зазначені дослідження коефіцієнта тертя лиж об сніг та кута передачі буксирувального зусилля дозволяють уточнити значення навантаження, що передає НТТ на проміжні опори БКД. Отримані в результаті експерименту фактичні значення перевищують теоретичні на 8%. Для врахування цього рекомендується застосовувати коефіцієнт умов роботи =0,9. Для оцінювання впливу обмеженої кількості лижників на навантаження, прикладене несучо-тяговим тросом до конструкцій проміжних опор, а також при моделюванні аварійного навантаження виникає необхідність уточнених розрахунків окремих ділянок траси. У дослідженнях запропонована методика розрахунку ділянок траси, що полягає у представленні БКД як набору ланок, у середині кожної з яких знаходиться проміжна опора.

У розрахунках навантаження представлене у вигляді зосереджених сил з врахуванням фактичних кутів передачі даного навантаження на несучі конструкції. Такий підхід дозволяє змоделювати практично довільну комбінацію навантажень: задана розстановка лижників, урахування різної маси лижників, включення до розрахунку аварійного навантаження. Отримані в результаті розрахунків результати перевищували експериментальні (похибка в середньому залишається сталою і становить 7%,). Слід відмітити, що через значну кількість і складність розрахунку даний метод рекомендується застосовувати лише для проектування окремих ділянок БКД. Аналіз досвіду проектування дозволяє надати низку практичних рекомендацій до процесу проектування та реконструкції БКД: розроблено графіки попереднього оцінювання кількості проміжних опор і величини відтяжного вантажу залежно від геометричних параметрів схилу; запропоновано методи реконструкції підйомників БКД; розроблено класифікацію дефектів буксирувальних канатних доріг; запропоновано ряд пропозицій щодо вдосконалення проекту нормативного документу; вдосконалено конструктивне рішення проміжних опор.

У п'ятому розділі розглядається оцінка та методи підвищення надійності основного несучого елемента буксирувальних канатних доріг - несучо-тягового троса. Визначившись із класом відповідальності будівлі чи споруди БКД в цілому, можливо однозначно встановити необхідний рівень імовірності безвідмовної роботи несучо-тягового тросу, який повинен бути забезпечений у процесі проектування. Виняток можуть становити лише випадки проектування підйомника із заданим рівнем надійності чи при врахуванні спеціальних досліджень за ожеледним навантаженням у гірських регіонах Криму та Карпат.

Значення максимального зусилля натягу можна переписати у вигляді

,

де - максимальне зусилля натягу у несучо-тяговому тросі; - розрахункове навантаження на несучо-тяговий трос, що становить



. (8 )

Для оцінювання коефіцієнта запасу міцності троса, що відповідає заданим рівням надійності, проведемо математичне моделювання презентативної вибірки завантажень різних за характеристиками умовних схилів. Для цього застосуємо орієнтовні залежності між , , та , розглянуті у розділі 4,

(9 )

Навантаження від лижників є основним корисним навантаженням на трос БКД. Для подальших досліджень приймаємо, що математичне сподівання значення маси лижника зі спорядженням становить кг, стандарт (середньо- квадратичне відхилення) - кг. Вважаючи, що маса лижника буде змінюватись відповідно до прийнятих статистичних характеристик, перепишемо процес виникнення максимального навантаження у тросі у вигляді залежності із випадковими величинами

(10)

Для моделювання різних характеристик схилу задамося 6-ма варіантами ухилу поверхні та 9-ма варіантами довжини горизонтальної проекції схилу:



(11 )

Для отримання вибірки стандартів і математичних сподівань максимального зусилля натягу в несучо-тяговому тросі були застосовані залежності (8-10), задані геометричні характеристики схилів (11) та згенерована за нормальним законом вибірка маси лижника відповідно до заданих статистичних характеристик. Загальна кількість елементів у отриманій вибірці склала n=0,54x10⁶. Задаючись характеристикою резерву несучої здатності Y, як випадковою величиною, отримаємо характеристику безпеки

, (12)

де R - значення зусилля розриву троса відомого діаметра;

k - коефіцієнт запасу міцності в несучо-тяговому тросі. Відповідно до діючих нормативів , де k=4,5 для дії основного (корисного) навантаження; k=2,8 для дії ожеледного навантаження. Таким чином, визначальною для надійності несучо-тягового тросу буде забезпечення несучої здатності на найбільш несприятливе із навантажень: основне та ожеледне.

Задаючись імовірністю безвідмовної роботи для різних класів відповідальності споруд БКД було розв'язано обернену задачу з обґрунтування коефіцієнтів k, що можуть бути представлені як коефіцієнти надійності за призначенням для несучо-тягового троса



. (13)

Значення характеристики безпеки знаходимо відповідно до функції Лапласа в залежності від класів відповідальності споруд БКД та відповідних їм ймовірностей безвідмовної роботи несучо-тягового троса. Зміна коефіцієнтів надійності за призначенням несучо-тягового тросу при різних значеннях ймовірності безвідмовної роботи та для різних характеристик схилу показана на графіках.

Перевірка надійності несучо-тягового троса підвісних буксирувальних канатних доріг для нормованого коефіцієнта k=4,5 виявила надлишковий запас міцності, представлений даним коефіцієнтом. Відповідно до розрахунків, імовірність відмови несучо-тягового троса для такого випадку становить =2,23х10^-17.

Оскільки проведене математичне моделювання врахувало фактично всі можливі характерні варіанти поверхні схилу та її розміри, можна вважати, що коефіцієнти надійності за призначенням для реальних трас будуть потрапляти в область, обмежену мінімальною і максимальною кривими. Для втілення результатів досліджень у розрахунки рекомендується прийняти для всіх трас максимальні значення (див. висновки).

Аналогічні розрахунки були проведені для оцінювання надійності несучо-тягового троса на дію ожеледі залежно від місця розташування схилу на території України. Результати показали, що отримані коефіцієнти запасу міцності (k=2,8 - 3,6) несучо-тягового троса перевищують рекомендовані нормативним документом (k=2,8).

Для застосування даних досліджень при проектуванні підйомників БКД необхідно приймати більший із зазначених коефіцієнтів.



Загальні висновки

У дисертації вирішено актуальну наукову задачу забезпечення надійності несучих сталевих конструкцій буксирувальних канатних доріг на основі уточнення величин і характеристик діючих навантажень і розвитку методу розрахунку.

Проведені дослідження дозволяють отримати наступні результати та зробити висновки.

1. Розроблено процедуру збору необхідних вихідних даних, класифікацію навантажень на несучі елементи буксирувальних канатних доріг, порядок урахування повторного використання обладнання підйомників і додаткових параметрів: необхідної ваги відтяжного вантажу, ожеледних навантажень, глибини провисання троса у прольотах та аварійних навантажень зачеплення буксирувального приладу за проміжні опори.

2. У результаті проведення експериментальних досліджень підтверджено достовірність розробленої методики, значення коефіцієнта тертя уточнено на 25%, внесені зміни у розрахункову схему «лижник - несучо-тяговий трос».

3. Запропоновано й обґрунтовано розрахунок фактичної величини кута передачі навантаження буксирування на несучо-тяговий трос та уточнено значення навантаження, що передає несучо-тяговий трос на конструкції проміжних опор, до 10%. Це дозволяє проводити інженерні розрахунки трас БКД із включенням коефіцієнта умов роботи =0,9.

4. Розроблено розрахункові схеми окремих ділянок траси БКД, що дозволяють порівняно з іншими методами отримати найменше відхилення (6% у бік запасу за навантаженням) від фактичних даних, отриманих у результаті експерименту. Ці розрахунки можуть бути застосовані при обстеженні конструкцій БКД, моделюванні нештатних і аварійних навантажень

5. Розроблено рекомендації для проектування нових та оцінювання технічного стану існуючих підйомників буксирувальних канатних доріг, класифікацію дефектів конструкцій БКД, орієнтовні графіки підбору параметрів підйомників за геометричними характеристиками схилу, вдосконалення конструкцій проміжних опор БКД, рекомендації для проекту нормативного документу.

6. Для проектування підйомників БКД отримано диференційовані значення коефіцієнтів надійності за призначенням несучо-тягового троса для заданих класів відповідальності споруд БКД на дію основного (корисного) навантаження від буксирування лижників: 1) для унікальних та особливо відповідальних БКД =4; 2) для БКД, що мають досить важливе значення, =3,5; 3) для БКД, що мають важливе значення, =3; 4) для БКД, що мають обмежене значення, =2,5.

7. Визначені коефіцієнти запасу міцності в несучо-тяговому тросі по території України на дію ожеледних навантажень, що знаходяться в межах k=2,8 - 3,6.

8. На основі проведених досліджень сформовано інженерний метод проектування буксирувальних канатних доріг і методики забезпечення надійності повторно встановлених чи існуючих підйомників БКД.



список опублікованих праць за темою дисертації

1. Оцінка технічного стану та жорсткості залізобетонної кранової естакади / С.Ф.Пічугін, О.В.Семко, В.О.Семко, С.О.Скляренко // Строительные материалы и изделия. - 2003. - №6 (20). - С. 8-10.

2. Пічугін С.Ф. Питання проектування буксирувальних канатних доріг / С.Ф.Пічугін, Г.М.Трусов, С.О.Скляренко // Вісник Донбас. держ. акад. буд-ва та архітектури. Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Макіївка, 2004. - № 2 (44).

3. Узагальнення досвіду проектування буксирувальних канатних доріг / С.Ф.Пічугін, О.В.Семко, Г.М.Трусов, С.О.Скляренко // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2005. - Вип. 15 - С. 54 - 60.

4. Пічугін С.Ф. Загальний підхід до визначення навантаження на сталеві несучі елементи буксирувальних канатних доріг / С.Ф.Пічугін, С.О.Скляренко // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - К.: НТУ, 2006. - №73 - С. 244-247.

5. Пічугін С.Ф. Дослідження дійсної роботи сталевих несучих конструкцій проміжних опор буксирувальних канатних доріг / С.Ф.Пічугін, С.О.Скляренко // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. пр. - Рівне: Національний університет водного господарства та природокористування, 2006. - №14 - С. 284-293.

6. Патент № 14124. Україна, МПК (2006) Е04В 1/34, 1/344, 1/346, Е04Н 12/20. Проміжна П-подібна опора буксирувальної канатної дороги / С.Ф.Пічугін, О.В.Семко, Г.М.Трусов, С.О.Скляренко: Полтавський національний технічний університет ім. Ю.Кондратюка. - №14124, Бюл.№5 - 2006р.

7. Патент № 14125. Україна, МПК (2006) Е04В 1/38. Збірний вузол кріплення балки перемички до Л-подібної стійки П-подібної опори буксирувальної канатної дороги / С.Ф.Пічугін, О.В.Семко, Г.М.Трусов, С.О.Скляренко : Полтавський національний технічний університет ім. Ю.Кондратюка. - №14125, Бюл.№5 - 2006р.

8. Пічугін С.Ф. Дослідження навантажень на металеві конструкції буксирувальних канатних доріг / С.Ф.Пічугін, С.О.Скляренко // Металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку: тез. доп. ІХ наук.-тех. конференції. - К.: Сталь, 2008. - С. 66 - 69.

9. Скляренко С.О. Особливості проектування підвісних канатно-буксирувальних доріг / С.О.Скляренко // Сучасне будівництво: конструкції, технології, перспективи: матеріали міжнар. студ. наук. конф. (Полтава, 20 - 21травня). - Полтава: ПолтНТУ, 2004. - С. 118 - 121.

Размещено на Allbest.ru

...