Нагруженность металлоконструкций мостового крана

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003р. Вип. №13

УДК 621.873

Суглобов В.В.1, Сагиров Ю.Г.2, Катков А.Н.3

НАГРУЖЕННОСТЬ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МОСТОВОГО КРАНА

В общем виде описана проблема эксплуатации грузоподъемных кранов с истекшим сроком службы, дан краткий анализ последних исследований в области усталостной долговечности крановых мостов при двухчастотных нагрузках, поставлена задача и выделены проблемы, решение которых является целью данной статьи. Изложен основной материал исследований с обоснованием полученных результатов, приведены выводы и перспективы использования изложенного материала.

На научно-практической конференции «Проблемы производства и безопасной эксплуатации подъемных сооружений в Украине и России (г.Одесса, 2003г.) большое внимание было уделено проблеме оценки остаточного ресурса грузоподъемных кранов. Отмечено, что в настоящее время эксплуатируется 80 % грузоподъемных кранов с истекшим нормативным сроком службы, а наличие различных методик оценки остаточного ресурса затрудняет принятие решения о дельнейшей эксплуатации таких машин. Также отмечен рост аварийности среди этих кранов в результате неверной оценки остаточного ресурса.

Влияние вибраций на циклическую долговечность металлоконструкций крановых мостов подробно рассматривает Емельянов O.A. [1]. Автор отмечает, что при наложении дополнительных циклов нагружения на основной спектр нагрузок (двухчастотное нагружение) сопротивление усталости снижается в значительно большей степени, чем при одночастотном нагружении. Также отмечено, что такие нагрузки необходимо учитывать при оценке долговечности материалов и сварных соединений.

Целью данной статьи является разработка методики оценки остаточного ресурса крана с учетом дополнительных циклов нагружения. С нашей точки зрения к таким нагрузкам, в первую очередь, следует относить те, которые возникают при проезде краном по неровностям подкранового пути - зазорам в стыках, перепадам по высоте. Такие стыки являются причинами довольно больших динамических нагрузок, которые вызывают колебания кранового моста, что снижает циклическую прочность моста крана. Величина такой нагрузки в первую очередь зависит от высоты ступеньки, конструкции крана и скорости его передвижения [2, 3].

Оценим влияние дополнительных циклов на нагруженность металлоконструкции крана. Нагрузку, в первом приближении, определим по формуле [2]:

+ G +

i

где Q = mT + 0[7,  g- масса груза действующая на мост (Qrp- вес поднятого груза);

G = тм  g - приведенная масса моста крана

g -ускорение свободного падения; h- высота ступеньки;

7- число ходовых колес крана, находящихся на одной нитке подкранового рельса. 3-E-Jx-

здесь Е- модуль упругости;

Jx - момент инерции сечения;

а- расстояние от точки приложения силы до левой опоры; I- расстояние от точки приложения силы до правой опоры.

С =-f—2--коэффициент жесткости моста [2],

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ПГТУ, ассистент, аспирант

3 ПГТУ, аспирант

Если обозначить через /' - как первоначально приложенную силу к мосту крана, а 1<тж -как ее максимальное значение, которого она достигнет при проезде краном по неровностям подкранового пути, то получим силу, вызывающую колебания моста крана:

АF = JF -Р.

шах ^ '

Колебания моста, вызванные действием силы АР, являются затухающими. Количество колебаний, их частота и период зависят от жесткости моста крана.

Общее уравнение затухающих колебаний имеет вид [4]:

х — Ас sin^k2 — п  ( +

ß).

где А - амплитуда колебаний; к - частота;

п - коэффициент затухания; t - время;

ß - начальная фаза (в нашем случае равна нулю). Авторами разработана программа «Колебания», реализуемая в среде Mathcad 2000 Professional, которая позволяет в автоматизированном режиме определять коэффициент жесткости моста крана; силу, вызывающую колебания; частоту и период колебаний моста крана. Результаты расчетов показывают, что частота колебаний составляет порядка 0,32-, период -

сек

3,11сек . Полученные данные при расчете с помощью программы «Колебания» являются исходными данными для построения графика колебаний моста крана по формуле (5).

График строится также в автоматизированном режиме с использованием электронных таблиц EXEL. Полученный график представлен на рисунке 1.

AF. кН

О

10

15 t, с

Рис. 1 - График затухающих колебаний моста крана.

Как следует из рисунка 1, при последующем суммировании достаточно учитывать два колебания (при значениях А7** = 1 8д7У и А/7 = 11 кН ). Зная, что длина каждого подкранового рельса составляет 12,5м, можем предположить, что через каждые 12,5м кран будет получать дополнительные циклы нагружения, которые накладываются на основной спектр нагружения. Графики нагружения крана при выполнении одного рабочего цикла без и с учетом дополнительных циклов нагружения показаны на рисунке 2.

При скорости передвижения крана I). = 0,25 каждые 50с металлоконструкция будет

испытывать дополнительные циклы нагружения (за 50с кран пройдет 12,5 м - длина подкранового рельса или расстояние между стыками).

б) 0-10 - подъем и перемещение груза, 10 - наезд на неровность пути, 10-25, - колебание конструкции (дополнительный цикл), (12,5м - длина подкранового рельса), 0-50 - нагружение металлоконструкции крана. Рис. 2 - График иагружеиия моста крана при выполнении одного рабочего цикла:

а) без учета дополнительных циклов;

б) с учетом дополнительных циклов.

Оценим эквивалентное число циклов нагружения металлоконструкции с учетом двухчас-тотного нагружения. Зная площадь фигуры, которую описывает кривая на рисунке 1, определим, какую долю, она составляет от площади фигуры на рисунке 2, другими словами определим, какую долю по отношению к основному циклу составляет дополнительный цикл. В результате расчетов находим, что добавка составляет порядка 0,007 основного цикла. Зная, что дополнительные циклы нагружения кран испытывает каждые 12,5 метра перемещения пути и, учитывая, что количество ударов два (для кранов у которых два колеса на одной нитке подкранового рельса), можем определить число дополнительных циклов в сутки (год).

Проведем оценку остаточного ресурса мостового электрического крана общего назначения, который работает на одном из металлургических предприятий г. Мариуполя. Из справки о характере работы крана берем:

1. Паспортный режим работы крана Ап..........................4

2. Срок эксплуатации крана Т в годах...........................21

3. Количество дней работы крана в году Д.......................300

4. Грузоподъемность ()ном, тонн...............................20

5. Количество циклов подъема груза в сутки Сс....................100

6. Доля циклов подъема грузов массой:

- от О до 0,25-О .................................0,2

- от 0,25-О до 0,5-О ..............................0,5

^ ? г^НОМ ^ ' г^НОМ '

- от 0,5-0 до 0,75-0 ..............................0,18

' -Л-'НОМ ^ ' НОМ '

- от 0,75-0 до О .................................0,2

7. Среднее перемещение груза вдоль цеха (краном) Ьс , м.........60

Число дополнительных циклов составит:

с = /.^_ = 2 — = 960.

12,5 12,5

Эквивалентное число дополнительных циклов:

сэкв = о, 007-с = 0,007-960 = 7.

Таким образом, эквивалентное число циклов нагружения крана в сутки составит:

Сетм=Св+сям =100 + 7 = 107,

что на 7 % больше циклов работы крана.

Эквивалентное число циклов нагружения крана в год составит:

сгэкв = ссэкв  Д  В = 107 • 3 00 • 0.5 = 16008,

где В - коэффициент, учитывающий достоверность информации о загруженности крана и стабильности этих показателей.

В зависимости от количества циклов работы крана и среднего перемещения груза число дополнительных циклов изменяется от 1 до 10 % от числа циклов работы крана, что в свою очередь влияет на остаточный ресурс крана.

Для определения остаточного ресурса воспользуемся теоретическими выкладками Маковского A.M. [5, 6], основанными на использовании стандартов ИСО 4301/1-86 и ГОСТ 25546-82 [7,8] из которых следует:

1П3

Т =----Т,

ост

"> ' ^Гэке

где Ап - паспортный режим работы крана;

кр - коэффициент нагружения;

Т - срок эксплуатации крана в годах.

При расчете по формуле (10) без учета дополнительных циклов нагружения крана остаточный ресурс составляет 5 лет, а с учетом - 3,7 года, что на наш взгляд в большей степени соответствует действительности.

По представленным зависимостям авторами разработана программа «Ресурс», позволяющая в автоматизированном режиме с учетом дополнительных циклов нагружения, возникающих при проезде краном по неровностям подкранового пути, оценить остаточный ресурс крана. Исходные данные для расчета берутся из справки о характере работы крана. Программа реализуется в среде Mathcad 2000 Professional, является открытой для редактирования и проста в использовании. Дальнейшие статистические исследования могут позволить уточнить предложенную методику оценки остаточного ресурса.

Выводы

Полученные результаты позволяют утверждать, что число циклов нагружения крана не соответствует числу рабочих циклов, т. к. при работе кран испытывает дополнительные нагрузки, которые накладываются на основной спектр нагружения и снижают циклическую прочность металлоконструкции крана. Для различных кранов величина дополнительных циклов нагружения составляет от 1% до 8 % от числа циклов работы. Учет описанных циклов нагружения в дальнейшем позволит с большей степенью точности оценивать остаточный ресурс крана, что в свою очередь должно обеспечить снижение аварийности и увеличение безопасности эксплуатации грузоподъемных машин.

Перечень ссылок.

1. Емельянов В.Е. Мосты сварные, крановые. Конструкция. Нагруженность. Диагностика. Обеспечение ресурса: Монография / В.Е. Емельянов,- Краматорск: ДГМА, 2002, - 334с.

2. Казак С.А. Динамика мостовых кранов / С.А. Казак II М.: Машиностроение, 1968 - 332с.

3. Казак С.А. Влияние стыков рельсов подкрановых балок на динамические нагрузки крановых мостов / С.А. Казак II Вестник машиностроения. - 1966. - №3. - С. 30-33.

4. Яблонский A.A. Курс теоретической механики / A.A. ЯблонскийМ.: Высшая школа, 1984, - 423с.

5. Маковский A.M. Определение расчетных сроков службы кранов и крановых механизмов/ A.M. Маковский //М.: Безопасность труда в машиностроении,— 1993 — С. 46— 47.

6. Маковский A.M. Теоретические зависимости для построения системы детальной диагностики грузоподъемных кранов/ A.M. Маковский II Hoei матер ¡ал и i технологи в металур-ril та машинобудуванш/ Сб. наукових праць Запор1зького держ. техн. ун-ту. - 1998,-№1.-с. 40-41.

7. Стандарт ИСО 4301/1-86. Краны грузоподъемные. Общие положения.

8. ГОСТ 25546— 82. Краны и подъемные устройства. Режимы работы,- М.: Изд- во стандартов, 1982,- 7с.

Статья поступила 05.05.2003