ПОДКРАНОВАЯ БАЛКА
CRANE GIRDER

Изобретение относится к области строительства, а точнее к подкрановым балкам, преимущественно для мостовых кранов с интенсивным тяжелым режимом работы в «горячих» цехах, например в мартеновских или конвекторных цехах.
Известна конструкция сварных балок, применяемых в настоящее время для подкрановых сооружений для тяжелых режимов работы в металлургических цехах (А.А.Васильев, Металлические конструкции, М., Стройиздат, 1979 г., стр.174, рис.VII.21а). Балки указанной конструкции достаточно хорошо изучены в процессе их эксплуатации, разработаны подробные нормативные требования по прочностным расчетам и конструированию балок такого типа.
Вместе с тем, как показывает опыт эксплуатации существующих в настоящее время подкрановых балок в условиях тяжелого и весьма тяжелого режима работы с крановыми нагрузками до 450 т, долговечность отдельных узлов и циклический ресурс не обеспечивается на достаточном уровне, что характеризуется усталостными трещинами, прежде всего, в верхней зоне стенки.
Как показывает анализ деформировано-напряженного состояния указанной конструкции, причиной образования усталостных трещин могут быть местные крутящие моменты и соответствующие «крутильные» деформации в зоне - «верхний пояс - вертикальная стенка». Местные крутящие моменты являются следствием инерционных нагрузок от перемещений крановой тележки и возможного эксцентриситета при передаче вертикальной нагрузки на верхний пояс балки относительно стенки.
Известна также конструкция подкрановой балки со сменной подрельсовой частью (Б.Н.Васюта, Основные результаты исследований и практический опыт проведения мероприятий по повышению долговечности подкрановых конструкций на предприятиях г.Новосибирска, Промышленная безопасность, специальный выпуск, сентябрь, 2004, Промышленная безопасность в металлургической промышленности, стр.20-23).
Предложенное конструктивное решение заключается в выделении из состава балки сменной подрельсовой части из прокатного профиля колонного или широкополочного профиля. Несущая часть выполняется из тонкостенного сварного двутавра. Соединение частей осуществляется на высокопрочных болтах, что обеспечивает разъемность и совместность работы.
Следует отметить, что крутящие моменты, которые возникают при перемещении крановой тележки и эксцентриситета от приложения вертикальной нагрузки на верхний пояс балки, создадут циклические нагрузки в сварных швах в зоне - «верхний пояс - верхняя часть стенки». Поскольку крутильная жесткость системы недостаточна и деформации верхнего пояса относительно стенки могут быть в значительных пределах.
Помимо этого, рассматриваемая конструкция балки сложна в изготовлении вследствие повышенной металлоемкости и большого количества деталей и соединений, надежность конструкций в целом понижена.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является подкрановая конструкция, образованная трехглавым рельсом, который состоит из центральной главы, боковых глав, шейки и подошвы; подкрановая балка содержит стенку, верхний пояс, состоящий из двух гнутых накладок лоткообразной формы; лоткообразные накладки соединены друг с другом высокопрочными болтами через стенку подкрановой балки (Нежданов К.К., Нежданов А.К., Патент RU 2067075 C1, дата публикации 27.09.1996 г.).
у
к
В рассматриваемой конструкции решены вопросы повышения долговечности конструкции за счет создания замкнутого контура, образованного верхним поясом балки и лоткообразными накладками, что значительно снижает циклические деформации балки от крутящих моментов, которые вызываются инерционными нагрузками при перемещении крановой тележки и эксцентриситетом от приложения вертикальной нагрузки. Помимо этого, возрастает общая устойчивость балки при изгибе, так как значительно увеличивается момент инерции (J) относительно вертикальной оси симметрии балки. В несколько раз возрастает момент инерции на кручение, что снижает касательные напряжения и, соответственно, деформации от крутящего момента (М) вокруг продольной оси балки.
Вместе с тем, включение в работу балки на изгиб подкранового рельса снижает надежность работы конструкции в целом, поскольку поверхность головки рельса при контакте с колесами тяжело нагруженного крана совместно с сжимающими напряжениями имеют место быть околопредельные контактные напряжения.
Помимо этого, подкрановый рельс, используемый в качестве верхнего пояса балки, осложняет корректировку колеи кранового пути в случае необходимости.
Как известно (Надежность технических систем, Справочник. Ю.К.Бегеев и др., М., Радио и связь, 1985 г.), относительно большое количество нестандартных элементов в конструкции снижает ее надежность и долговечность.
Рассматривая поперечный разрез подкрановой балки на Фиг.1 (Патент RU 2067075 C1), следует отметить, что контур, образованный трехглавым рельсом, гнутыми лоткообразными накладками и верхней частью стенки, представляет собой геометрически изменяемую систему, что при больших вертикальных нагрузках в сочетании с крутящими моментами приведет к повышенной изгибной деформативности и может обуславливать «раскачивание» верхней грани стенки, и, как следствие, к трещинообразованию, при работе крана.
Наличие нестандартных деталей (трехглавый рельс, гнутые накладки лоткообразной формы) может затруднить изготовление балок предложенной конструкции.
Таким образом, рассмотрев наиболее удачные конструктивные решения по подкрановым балкам, следует заключить, что необходимо продолжить работу по созданию рациональных конструкций, рассчитанных на весьма тяжелые режимы работы со сверхтяжелыми нагрузками с длительными безаварийными сроками эксплуатации, при этом комплектация при изготовлении должна осуществляться из стандартных деталей и применяемого для таких целей сортамента.
Поставленная цель достигается тем, что вертикальная стенка выполнена V-образной в верхней своей части по всей длине балки от верхнего пояса до нейтральной оси, при этом стенка составлена из одного вертикального листа и двух симметрично наклонно расположенных плоских листов, закрепленных одной стороной по всей длине к вертикальному листу, а другой стороной к верхнему поясу балки, при этом по всей длине балки с определенным шагом установлены вертикальные поперечные ребра, которые закреплены только к нижнему поясу, вертикальной стенке и наклонному листу.
Сопоставление с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что вертикальная стенка балки выполнена V-образной и верхней своей частью представляет собой замкнутую геометрически неизменяемую систему, образованную верхним поясом, вертикальным листом и двух симметрично наклонно расположенных плоских листов, закрепленных одной стороной к вертикальному листу, а другой к верхнему поясу балки.
Таким образом, заявленная конструкция подкрановой балки соответствует критерию - «новизна». Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг.1 показано сечение подкрановой балки, состоящей из верхнего пояса 1, вертикального листа 2, двух симметрично и наклонно расположенных плоских листов 3, которые закреплены по всей длине балки к вертикальному листу 2 у нейтральной оси балки и к верхнему поясу 1, крепление деталей может производиться как на высокопрочных болтах 4, так и на сварке, поперечные ребра 6 закреплены только к нижнему поясу 5, вертикальному листу 2 и наклонным листам 3.
Возможен также аналогичный вариант конструкций подкрановой балки на сварных соединениях, при этом сварные швы могут быть с уменьшенным катетом, так как действующие нагрузки распределены по большему количеству сварных швов.
Разработка предложенной конструкции балки обусловлена необходимостью предотвратить циклические деформации конструкции балки от крутящих моментов, возникающих при движениях крановой тележки, и эксцентриситета от приложения вертикального усилия. Следует отметить, что «живучесть» конструкции определяет не только уровень касательных напряжений, но и уровень деформаций при кручении.
Угол закручивания конструкции может быть проверен по формуле:
;
(Н.М.Беляев, Сопротивление материалов, Гос. Изд. научно-технической литературы, 1951 г., стр.213, формула 11, 35),
где φ - угол закручивания
l - длина конструкции
к
М - крутящий момент
G - модуль упругости на кручение
к
J - момент инерции кручения.
5
2
6
2
Следует отметить, что модуль упругости G для стали равен 5·10 кг/см, тогда как модуль упругости при растяжении или сжатии равен 2,1·10 кг/см, иными словами, деформации от кручения при относительно небольших крутящих моментах могут достигать значительных величин, которые при циклических нагрузках могут находиться за пределами допустимого.
Помимо отмеченного, угол закручивания конструкции будет уменьшен при использовании геометрически неизменяемого замкнутого сечения (Н.М.Беляев, Сопротивление материалов, Гос. Изд. научно-технической литературы, 1951 г., стр.213, формула 216-217).
у
Следует также отметить, что принятое конструктивное решение может повысить общую устойчивость балки при изгибе, т.к. значительно увеличен момент инерции сечения J относительно вертикальной оси. Одновременно будет повышена и местная устойчивость сжатого пояса балки (А.А.Васильев, Металлические конструкции, М., Стройиздат, 1979 г., стр.167-168).
Предложенная конструкция балки может быть также использована при усилении и ремонте существующих балок, вследствие того, что установка дополнительных элементов конструкции не представляет собой повышенной сложности.