Вплив експлуатаційних чинників на напружений стан верхньої зони стінки підкранової балки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Останнім часом, у ситуації корінних структурних змін в економіці і скорочення капітальних вкладень у промислове будівництво, на перший план висувається проблема реконструкції будинків і споруджень, необхідності підтримки в працездатному стані існуючого фонду металоконструкцій.

Підкранові конструкції є найбільше пошкоджуваними елементами каркаса промислового будинку. Натурні дослідження підкранових балок в умовах важкого і дуже важкого режимів роботи кранів виявили численні ушкодження верхньої зони стінки у виді тріщин, що з'являються вже в початковий період експлуатації. До 5 років накопичені ушкодження як правило виводять підкранові балки з ладу. Подібне положення є слідством рухливого характеру навантаження, дією значних зосереджених сил, а також визначається технічним станом конструкцій (відхилення кранових шляхів у горизонтальній і вертикальній площинах) і ходової частини мостових кранів (горизонтальний і вертикальний кути перекосів колеса, асинхронне вмикання електродвигунів крана і т.п.).

Це обумовлено недосконалістю конструктивної форми і імовірних методів розрахунку підкранових конструкцій, не повній мірі відбиваючих дійсну роботу конструкцій, з урахуванням дефектного стану як самих конструкцій, так і мостових кранів.

Розробка уточненої методики розрахунку верхньої зони стінки підкранової балки з урахуванням ушкоджень кранового шляху і ходової частини мостового крана й удосконалювання конструктивної форми на цій основі забезпечить підвищення довговічності і безпечної експлуатації балок, а також знизить експлуатаційні витрати.

Ціллю роботи є підвищення довговічності і надійності підкранових конструкцій шляхом удосконалювання методики розрахунку напружено-деформованого стану верхньої зони стінки підкранової балки з урахуванням експлутаційного стану ходової частини мостових кранів і підкранових шляхів і процесів переміщення мостових кранів.

Для реалізації поставленої цілі стояло вирішити ряд задач.

Провести аналіз дійсної роботи верхньої зони стінки підкранової балки з виявленням ступеня впливу локальних напруг на напружений стан верхньої зони стінки з урахуванням дефектного стану конструкцій.

Провести експериментальні дослідження в натурних умовах верхньої зони стінки подкранової балки з моделюванням дефектів і ушкоджень підкранових шляхів і ходової частини мостових кранів у процесі руху крана.

Розробити методику розрахунку напруженодеформованого стану верхньої зони стінки підкранових балок і методику перевірочного розрахунку існуючих підкранових балок з урахуванням чинників експлуатації і рухливого характеру навантаження.

Розробити рекомендації по конструюванню підкранових балок із регулюванням напруженодеформованого стану верхньої зони стінки.

1. Основні принципи гаданого рішення проблеми, ціль і задачі роботи

Проведено аналіз пошкоджуваності підкранових балок. Узагальнення і систематизація результатів натурних досліджень дозволили виявити основні види дефектів і ушкоджень, що були обрані для дослідження їхньої впливи на напруженодеформований стан верхньої зони стінки підкранових балок.

Виконаний огляд методів досліджень (ЦНИИПроектстальконструкция, ЦНИИСК ім. Кучеренко, Макіївський ІБІ, Новосибірський ІБІ, МІБІ ім. Куйбышева, Липецкий ПІ та інші) виявив переваги експериментальних досліджень в умовах чинного виробництва над лабораторними. До переваг експериментальних натурних досліджень ставиться урахування умов експлуатації, важко відтворені при стендових іспитах: нерівномірність вертикального тиску коліс крана; зміна горизонтальних поперечних сил при переміщенні вантажного візка і зміні кутів перекосу ходових коліс; кінематичний і нерегулярний характер процесу навантаження.

У роботі проаналізовані основні теоретичні й експериментальні дослідження з проблеми уточнення методики розрахунку напруженодеформованого стану металевих підкранових балок, виконані Б.М. Броуде, Б.Б. Лампсі, Є.В. Гороховим, В.М. Горпинченко, Є.А. Мітюговим, К.К. Неждановим, С.Ф. Пічугіним, А.І. Склядневим, Ф. Зеевальдом, В.П. Федосеевом, І.Р. Руховичем, І.Є. Спенглером, Ю.І. Кудішіним, А.А. Апалько, Н.С. Москалевим, Г.А. Шапіро, І.К. Оксфорт, М.С. Подбелло та А.М. Подбелло, Б.А. Шемшурой, О.В. Колотовим, О.Ф. Іванковим, А.В. Прінь, В. М. Гончаровим і іншими. Подано аналіз нині чинної методики розрахунку напруженодеформованого стану верхньої зони стінки підкранових балок, що не враховує експлутаційний стан ходової частини мостового крана і підкранових шляхів.

На підставі проведеного аналізу сформульовані основні напрямки досліджень.

2. Характеристика чинників, що впливають на напружений стан верхньої зони стінки підкранової балки

Розглянуто варіанти взаємодії колеса крана з підкрановою рейкою й описані схеми взаємодії мостового крана з підкрановою конструкцією. Аналіз формул, приведених у нормативних документах, показав, що при визначенні крутного моменту від кранових навантажень не достатньо повно враховується дійсна робота кранової рейки і балки.

Місцевий крутний момент, прикладений до верхньої зони стінки укладається з:

,

місцевий крутний момент від вертикального кранового навантаження; місцевий крутний момент від бічного впливу крана.

Натурні дослідження виявили, що ушкодження у виді тріщин в основному з'являються в зоні зварного шва між верхнім поясом і стінкою балки. Тому запропоновано розрахунок крутного моменту проводити щодо цієї зони. Таким чином, крутний момент від вертикального навантаження в зоні зварного шва визначається як:

,

де вертикальне кранове навантаження; ексцентриситет прикладання навантаження; товщина стінки підкранової балки.

Для визначення ступеня впливу бічних впливів крана на була проаналізована спільна робота підкранової балки і рейки. У результаті запропонована розрахункова схема: верхній пояс поданий у виді балки, обмежений по довжині підкрановой панеллю, кріплення ребер жорсткості задані шарнірно. Поперечне горизонтальне навантаження через болти, завзяті і притискні планки (у залежності від конструктивного рішення) передається на верхній пояс балки. При розташуванні колеса крана:

між кріпленнями підкранової рейки:

,

над кріпленням рейки до балки:

,

довжина підкранової панелі; , відстань від кріплення підкранової рейки до ребра жорсткості відповідно; товщина верхнього пояса підкранової балки.

З огляду на деформації при крутінні поперечних перетинів підкранової балки, для визначення напруженого стану використана теорія щільного крутіння тонкостінних стрижнів. Дана теорія дозволила оцінити рівень компонентів напруг і знайти функції кутів закручування при щільному крутінні шляхом рішення диференціальних рівнянь методом початкових параметрів. Варіюючи засобами закріплення, початковими параметрами і вводячи додаткові зв'язки різноманітної жорсткості, можна уточнити напружений стан стінки підкранових балок, що знаходяться в експлуатації.

3. Експериментальне дослідження напруженого стану верхньої зони стінки підкранової балки в натурних умовах

Обобщив матеріали попередніх досліджень, автором виділені основні чинники, що впливають на експлутаційний стан підкранових конструкцій:

чинники, пов'язані з технологічними процесами виробничих ділянок;

чинники, пов'язані зі станом ходової частини мостових кранів;

чинники, пов'язані зі станом підкранових конструкцій.

Проаналізувавши чинники, що визначають умови експлуатації, для натурнолабораторного моделювання ушкоджень підкранових шляхів і ходової частини мостового крана в якості змінюваних параметрів визначені:

ексцентриситет прикладання кранових навантажень;

зміна вертикальних і горизонтальних кутів перекосу ходових коліс крана.

У якості об'єктів експериментальних досліджень використані підкранові балки складу готової продукції прокатного цеху № 2 ВАТ "Макеіївський металургійний комбінат". Тому що у даний час в Україні не існує серійно випускаємої функціонально-закінченої системи апаратно-програмних засобів моніторингу будівельних конструкцій, то складний напружений стан верхньої зони стінки підкранових балок при рухливому характері навантаження фіксувалося многоканальною універсальною мультипараметрическою системою моніторингу технічного стану будівельних конструкцій (УСМК-1), розробленої на кафедрі "МК" ДГАСА. Її відмінною рисою є збір інформації про напружено-деформований стан конструкції в реальному масштабі часу. Система моніторингу наймала показання з 64 каналів, мала верхню граничну частоту вхідних сигналів 30 Гц і виконував вибірку сигналу з періодом 13 мкс. Зв'язок між вимірювальними датчиками, датчиком переміщення мостового крана, структурними модулями УСМК1 і ЕОМ здійснювалася через локальну мережу ETHERNET. Для адаптації УСМК до планованого експерименту, за участю автора були розроблені датчик переміщення мостового крана і програми по перетворенню вихідних сигналів у масиви і криві розподіли відносних деформацій у верхній біляшовній зоні стінки балки від впливу рухливого кранового навантаження. Датчик переміщення закріплювався в зоні ходового колеса крана, що дозволило на основі підрахунку кількості оборотів визначити пройдену відстань і швидкість переміщення. Програмноапаратний комплекс УСМК підключався до мостового крана і подкрановойієї балки. Підключення УСМК здійснювалося в мережу контрольного устаткування і приладів, організовану навколо центрального процесора (серверу). Система моніторингу дозволила одночасно і безупинно в часу фіксувати:

напруги в опорних, рядових і центральних відсіках підкранових балок; розміри кранових впливів;

положення коліс крана по довжини балки.

Блок-схема експериментальних досліджень дана на мал. 3. При вимірі напруженого стану верхньої біляшовної зони стінки в процесі руху мостового крана спочатку показання наймалися при "ідеальному" експлутаційному стані конструкцій, а потім моделювалися варіанти ушкоджень підкранових шляхів і ходової частини мостового крана. Ексцентриситет прикладання вертикального кранового навантаження моделювався зміною положення підкранової рейки щодо осі підкранової балки. При цьому ексцентриситет підкранової рейки (виходячи з конструктивних особливостей) змінювався з кроком 10 мм. Максимальний ексцентриситет склав 40 мм. При проведенні експериментальних досліджень фіксувалися"плями контакту" підошви рейки з верхньою полицею балки. Виявлено, що тільки 10 % кранових рейок цілком контактували з балкою. Було встановлено, що в деяких випадках ексцентриситет додатка кранового навантаження при неповному опирании підошви рейки перевищував нормативний розмір ексцентриситета при зсуві рейки з вертикальної осі балки.

Експлутаційний стан ходової частини мостового електричного крана враховувалося зміною вертикального і горизонтального кутів перекосу коліс крана за допомогою набору прокладок, установлених між кінцевою балкою і блоком колісної пари. Кути перекосу варіювалися в межах 0,751,25.

Для виміру напружено-деформованого стану підкранової балки в опорної і двох рядових панелях по обидва боки стінки в районі верхнього зварного шва було встановлено по 6 розеток тензодатчиков із кроком 130-140 мм. У нижній зоні стінки були наклеєні по 2 тензодатчика.

Бічні впливи крана вимірювалися за допомогою датчиків, встанов-лених в області осей балансирних візків. Зняття показань проводилося при прямуванні крана в обох напрямках. Вимір положення ходових коліс мостового крана, кранових впливів і напруженого стану балки синхронізувалися в часу.

Це дозволило грузнути залежності зміни напруженого стану підкранової балки з крановими впливами і точкою прикладання навантажень. Вимір залишкових зварювальних напруг виконувалося “MESTR-411”.

Аналіз експериментальних даних дозволяє вважати, що напруги від локальних навантажень вносять істотний внесок у загальний напружений стан стінки. Зіставлення отриманих даних указує, що істотний вплив робить крутний момент, що виникає внаслідок ексцентричного додатка кранового навантаження і бічних впливів мостового крана, на локальні нормальні напруги по осях x і y.

Проведені дослідження виявили істотні розходження в напруженому стані верхньої зони стінки підкранової балки в порівнянні з усіма чинними методиками - СНиП II-23-81*, СНиП II-23-81* з урахуванням дефектів і відхилень, теорії щільного крутіння. Вперше експериментально у верхній зоні стінок балок зафіксовані розтягувальні напруги розміром до 40% від абсолютного значення сумарних напруг у верхній юіляшовній зоні. Розтягувальні напруги з'являються при відхиленнях кранової рейки від нормативного положення і кутах атаки колеса крана більш 0,0004 рад. Таким чином, можна констатувати, що розтягувальні напруги від крутіння в сумі з залишковими зварювальними напругами можуть значно перевищувати розрахунковий опір стали і є причиною появи подовжніх тріщин в біляшовній зоні стінки подкранової балки.

Порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних даних показав, що кінематичний характер завантаження підкранової балки крановими навантаженнями відрізняється від статичного. У межах розмірів дефектів і ушкоджень, визначених в існуючих нормах експлуатації, фактичні напруги при рухливому характері загруження перевищують розрахункові до 30 %. Проте, при перевищенні фактичних відхилень над нормативними, напруги при прямуванні крана в 1,52 разу більше розрахункових опорів.

Особливістю рухливого додатка навантаження є те, що розтягуваючи напруги, у перетині панелі балки декілька віддалені від точки додатка кранових навантажень. Це обумовлено характером розподілу епюр напруг по панелі підкранової балки в процесі руху крана: епюри локальних напруг мають великий розмір, але обмежені по ширині розподілу, у той час як напруги від місцевого крутіння менше по розмірі, але розподілені на істотно більшу відстань по довжині балки.

4. Порівняльний аналіз результатів експериментальних досліджень підкранових балок із даними теоретичного розрахунку компонентів напруженого стану по теорії щільного крутіння, що виявив хиби запропонованої моделі

При порівняльному аналізі теоретичних даних використовувалися перетини в панелі балки і схеми навантаження, аналогічні експериментальним.

Тому на основі результатів експериментальних досліджень запропонована уточнена розрахункова схема, що враховує спільну роботу підкранової рейки, верхнього пояса і стінки підкранової балки.

Навантаження від мостового крана передається на балку через кранову рейку. Тому що число рейкових кріплень по довжини цеху нескінченно велико, а відстань між ними мало в порівнянні з довжиною, то кранова рейка подана у виді нескінченно довгої балки, що лежить на суцільній пружній підставі. Підставою для такої балки служить верхній пояс підкранової балки.

Вирішуючи диференціальне рівняння балки на пружній підставі відповідно до прийнятої схе-ми наванта-ження, одер-жимо функції прогину під-кранової рейки при дії наванта-жень від двох коліс мостово-го крана відповідно:

,

,

де і функції прогину рейки від і відповідно; і навантаження на підкранову рейку від першого і другого колеса мостового крана відповідно; момент інерції кранової рейки; коефіцієнт постелі підстави; і відстань від і до аналізованого перетину відповідно; відстань між колесами мостового крана.

Оскільки пружною підставою для кранової рейки є верхня полиця підкранової балки, то на балку передається розподілений тиск:

,

де k коефіцієнт, що відбиває характер взаємодії рейки з полицею.

При наявності дефектів і ушкоджень ходової частини мостового крана або не рівнобіжності кранових шляхів, з'являється бічна сила. Бічна сила викликає додатковий розподілений момент , що крутить:

,

де висота кранової рейки; ширина підошви рейки; відстань від бічної сили до аналізованого перетину.

Отримане навантаження від кранової рейки прикладається до пояса підкранової балки, розрахункова схема якого задана як пластина, що має ребра жорсткості. Лінія сполучення стінки і ребер жорсткості з верхньою полицею виконана у виді жорстко затисненої крайки. При крутінні кут між поясом і стінкою на невеличких відстанях залишається прямим, що дозволяє вважати деформації в полку і верхньої зоні стінки підкранової балки рівними.

З огляду на конструктивні особливості подкрановой балки, для рішення практичної задачі визначення компонентів напруженого стану використовується варіаційний метод одержання різницевих рівнянь.

У даному методі функція прогинів, що задовольняє диференціальному рівнянню при заданих граничних умовах, заміняється аналітичним вираженням, що щонайкраще апроксимірує цю функцію. Це дозволяє зводити інтегрування основного диференціального рівняння СофиЖермен у приватних похідних до рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь або до рішення звичайного диференціального рівняння.

На основі рівняння потенційної енергії деформованої пластини, за допомогою методу центральних різниць і апроксимації отримана функція прогинів . Для визначення в довільній точці підкранової балки складена система звісно різницевих рівнянь . У результаті диференціювання отримана залежність розподілу прогинів у підкрановий балці:

,

де:

, .

Використовуючи вираження одержимо значення моментів , , , на підставі яких визначимо компоненти напруженодеформованого стану підкранової балки:

; ; .

Розрахунок напруг по даному методі провадився за допомогою розробленої програми, що дозволила врахувати рухливий характер навантаження.

Верхня зона стінки підкранової балки може розглядається як стінка балка, жорстко затиснена по лінії сполучення з верхнім поясом і ребрами жорсткості, і завантажена по верхньому контурі. У запропонованій розрахунковій схемі використане традиційне конструктивне рішення поперечного ребра жорсткості. При перебуванні загального рішення рахується, що ребра жорсткості перекривають усю висоту стінки підкранової балки. У розрахунку враховується вплив усіх ребер жорсткості, розташованих по довжині підкранової балки.

Для упорядкування сіткових рівнянь область, зайнята балкою стінкою, покривається двома сітками суцільний і допоміжної. У напрямку осі X крок сіток дорівнює hx, у напрямку осі Y hy. Вузли допоміжної сітки розміщаються в центрі осередків основної сітки .

З умови мінімуму функціоналу W, знаходяться приватні похідні від отриманої суми по переміщеннях u и v в вузлах основної сітки. У результаті утворюється система 2N лінійних алгебраїчних рівнянь щодо дискретних значень переміщень у панелях балки:

.

Тому що переміщення і є незалежними, то остаточно похідна по переміщенню виглядає в такий спосіб:

.

Виконуючи обхід всіх N вузлів сіткової області підкранової балки, утворуються система 2N лінійних алгебраїчних рівнянь щодо дискретних значень переміщень і . Використовуючи співвідношення Коші, визначаються деформації у верхній зоні стінки підкранової балки при проїзді мостового крана.

За результатами зіставлення експериментальних даних із теоретичними, можна відзначити, що виявлен деякий розкид при зіс-тавленні даних. Проте, виявлені розбіжності за-кономірні і по-яснюються за-лежністю роз-ташування прик-ладаємих навантажень по довжині балки. Так розмір похибки менше на початку балки і збільшується до її середини.

Зіставлення уточненої моделі з іншими розрахунковими передумовами і моделями виявило цілком задовільний збіг напруг.

Висновки

Експериментально і теоретично встановлено, що існуючі розрахункові моделі не повною мірою враховують експлутаційний стан підкранових шляхів і ходової частини мостового крана, наявність залишкових зварювальних напруг у верхній зоні стінки підкранової балки і рухливий характер навантаження.

Дійсна робота підкранових конструкцій вперше експериментально досліджувана на натурних підкранових балках в існуючому виробничому будинку в режимі реального часу з моделюванням зсуву кранової рейки, вертикальних і горизонтальних кутів відхилень ходового колеса мостового крана.

Отримано розподіл компонентів напруженого стану верхньої зони стінки балки в процесі прямування мостового крана. Експериментально виявлені напруги, що розтягують, у верхній біляшовній зоні стінки підкранової балки максимальним розміром =-69,47 МПа, =-59,07 МПа, ,=-104,9 МПа. При цьому виявлено, що в процесі прямування мостового крана напруги, що розтягують, від локального крутіння з залишковими зварювальними напругами можуть перевищувати розрахунковий опір стали.

Розроблено модель напруженого стану верхньої зони стінки підкранової балки на основі теорії щільного крутіння, установлені межі застосування даної моделі відхиленнями подкрановых шляхів до 15 мм і кутів перекосу коліс крана до 0,0004 рад при проектуванні нових підкранових балок і перевірочних розрахунків існуючих.

На основі отриманих експериментальних даних, диференціального рівняння вигину балки на суцільній пружній підставі і варіаційному методі різницевих рівнянь, розроблена розрахункова модель напруженого стану верхньої зони стінки підкранової балки, що дозволяє враховувати зсув кранової рейки більш 15 мм і рогів перекосу коліс мостового крана більше нормативних розмірів. Досягнуто достатню збіжність експериментальних і розрахункових даних.

Розроблено методику розрахунку і конструювання підкранових балок із регулюванням відстані між поперечними ребрами жорсткості з умови мінімізації напруг, що розтягують, від крутного моменту.

Розроблена методика розрахунку напруженого стану верхньої біляшовної зони стінки і розставляння поперечних ребер жорсткості використана при проведенні робіт з оцінки технічного стану і посиленні підкранових цехів ММК ім. Кирова. Економічний ефект склав 295 тыс. грн.

підкрановий мостовий крутний

Література

Рухович Й.Р., Петросян О.М., Мишура С.Н. Расчетные коэффициенты метода придельных состояний в условиях эксплуатации и реконструкции // Збірник наукових праць міжнародної конференції "Теорія і практика металевих конструкцій" - Донецьк-Макіївка, 1997 р. - Том 1, с. 108-111.

Ламбин Н.Е., Петросян О.М., Марченко Д.Н., Ламбин В.Н. Влияние эксплутационных факторов на состояние подкрановых путей Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Випуск 99-1(15) - Макіївка, 1999. - С. 52-57.

Петросян О.М. Влияние дефектов и повреждений подкрановых конструкций на их напряженно-деформированное состояние Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Випуск 2000-1(21) - Макіївка, 2000. - с. 83-87.

Петросян О.М. Влияние дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние подкрановых конструкций. Праці VII Української науково-технічної конференції "Металеві конструкції" - Дніпропетровськ, 2000 р. - с. 134-138.

Петросян О.М. Минимизация растягивающих напряжений верхней околошовной зоны стенки подкрановой балки с учетом расстановки поперечных ребер жесткости. // Збірник наукових праць, Миколаїв, 2002 - с. 32-37.

Размещено на Allbest.ru