CC BY
8Е.И. Адамов, Н.П. Гладков, В.Е. Тяжелое
Метод оценки потерь сыпучих грузов при грузовой обработке грейферными кранами
[2] Казаков А.П. Технология и организация перегрузочных работ на речном транспорте / А.П. Казаков. - М.: Транспорт, 1984. - 416 с.
[3] Круг Г.К. Статические методы в инженерных исследованиях / Г. К. Круг [и др.]. - М.: Высшая школа, 1983 - 216 с.
[4] Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул / Е.Н. Львовский. - М.: Высшая школа, 1982. - 223 с.
METHOD OF ASSESSMENT OF LOSS IN BULK CARGO HANDLING, GRAPPLES
E.I. Adamov, N.P. Gladkov, V.E. Tyazhelov
Keywords: seaport transshipment of bulk cargo, grab crane, Bunker device dusting.
In the article the method of estimating the loss of bulk cargo from dust when they grab crane overload.
УДК 621-192
Е.И. Адамов, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
Н.П. Гладкое, заместитель генерального директора, начальник отдела экспертизы ПС и МП ООО «Экспертный центр»
В.Е. Тяжелое, главный инженер ООО «Экспертный центр» 603004, г. Нижний Новгород, пр. Ленина, 88
АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ КАРКАСА ПЛАВУЧЕГО КРАНА КПЛ 16-30 ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
Ключевые слова: малоцикловое нагружение, макроскопическая трещина, многоцикловое нагружение, металлоконструкция крана.
В настоящей статье рассмотрены результаты анализа прочности каркаса плавучего крана КПл 16-30 исходя из предпосылки о многократном (с числом циклов 104) приложении экстремальных циклических напряжений.
Образование макроскопической усталостной трещины является результатом последовательного действия определенного числа очень сложных с физической точки зрения процессов преобразования структуры конструкционного материала, включающих зарождение, развитие и взаимодействие различных дефектов кристаллической решетки в металлах и взаимодействие иерархических структурных составляющих различного уровня. Необратимые структурные изменения подготавливают образование и распространение макроскопической трещины и являются неотъемлемой частью процесса разрушения материала. Развитие повреждений в объеме материала обуславливает прогрессирующее внутреннее ослабление его структуры: уменьшение жесткости, вязкости, прочности и др. [1].
Каркас представляет собой пространственную раму с жесткими узлами, стойки которых приварены к поворотной раме крана (рис. 1). Основные нагрузки на каркас передаются со стороны рычага противовеса и балок двуногой стойки.
Эксплуатация показала недостаточную прочность каркаса. На рис. 1 помечены зоны А,Б,В,Г,Д,Е,Ж,З,И возникновения трещин в сварных швах и основном ме-
талле конструкции. В отдельных случаях повреждения фиксируются через несколько месяцев после сдачи крана в эксплуатацию.
Рис. 1. Каркас плавучего крана КПл 16-30
Исследование прочности каркаса проводилось на основе теоретических и тензо-метрическкх данных о напряженном состоянии отдельных элементов конструкции. Расчетные параметры, полученные с помощью ЭВМ, которые отражают ряд вариантов внешнего нагруженая каркаса в соответствии с рабочими операциями крана (зачерпывание грейфером., удержание порожнего и груженого грейфера на разных вылетах стрелы, торможение стреловой системы при ее опускании и подъеме, торможение поворота и т.д.). Кроме нагрузок, характеризующих нормальные условия работы крана, определены возможные экстремальные нагрузки на элементы конструкции, которые возникают, в частности, во время резкого торможения движения стреловой, системы при ее опускании на вылете 30 м, а также при зачерпываний с повышенным усилием в замыкающем канате, равным приблизительно 220 кН.
Анализ прочности каркаса включал расчеты на статическую прочность отдельных элементов конструкции на основе данных, отвечающих их экстремальному нагруже-нию. Выполнены расчеты на выносливость с учетом типичного для условий работы каркаса многоциклового нагружения с числом расчетных циклов более 104-105.
Расчет на многоцикловую прочность проводился в соответствии с методом укрупненных размахов циклического изменения напряжений [2] с учетом их минимального и максимального значений. Расчетные циклы отражали типичные условия нагруженая каркаса во время фактического рабочего цикла (принято, в частности, усилие в замыкающем канате грейфера 160 кН; учитывался средний уровень динамических нагрузок в стреловой системе). Анализ показал недостаточную многоцикловую прочность ряда зон каркаса - после нескольких месяцев эксплуатации появляется возможность возникновения усталостных повреждений. Для повышения прочности каркаса рекомендовано предусмотреть в новом проекте крана увеличение высоты сечений основных балок каркаса на 100 мм. В отношении существующей конструкции каркаса целесообразно произвести на кране КПЛ 16-30 № 45 замену стали ВСт.3пс4 на сталь 10ХСНД.
Вместе с тем вопросы повышения прочности каркаса нельзя полагать в достаточной мере решенными. Требуется дальнейшее исследование причин раннего появления трещин. В.настоящей статье рассмотрены результаты анализа прочности каркаса исходя из предпосылки о многократном (с числом циклов 104) приложении экстремальных циклических напряжений. Металлоконструкция должна обладать достаточной
Е.И. Адамов, Н.П. Гладков, В.Е. Тяжелое
Анализ прочности каркаса плавучего крана КПЛ16-30 при малоцикловом нагружении
сопротивляемостью действию экстремальных переменных напряжений. При их многократном приложении в металле возникают повторные пластические и упругие деформации, которые могут привести к повреждениям.
Принимая во внимание жесткую конструкцию узлов каркаса и наличие зон концентрации напряжений, за основу расчета следует взять так называемую «жесткую» модель нагружения. Для такого типа нагружения характерно циклическое накопление
остаточной деформации и изменение ширины петли пластического гистерезиса [2].
*
Связь между амплитудой условного напряжения Г а соответствующей предельной деформации, и исходным разрушающим числом циклов Nс можно выразить по формуле [3], МПа
* е/Е г_1 т
Га =--+---С1)
.,-05 1 + Г 1 Г, 1 + Г
4N с +- 1 + --
1 _ Г Гв 1 _ Г
Здесь Е - модуль упругости продольной деформации, МПа; Г - коэффициент асимметрии расчетного цикла экстремальных напряжений;
Г. - предел выносливости материала, МПа;
Гв - временное сопротивление, МПа (можно принять Г_х =0,35 Гв ); е^ - коэффициент, характеризующий предельную пластическую деформацию на стадии образования иовреждения:
100
е = 1п-,
} 100 _ у
где у- относительное сужение площади поперечного сечения металла, %.
Амплитуду условного разрушающего напряжения можно виразить через амплитуду расчетного цикла напряжений га:
* 7
Г а = ПгкгГа (2)
где п - коэффициент запаса прочности по амплитуде расчетных напряжений; ка - коэффициент концентрации напряжений.
Исходное разрушающее число циклов представим как
Nc = щК,
где п - коэффициент запаса по числу циклов;
N - откорректированное (уменьшенное для надежности расчета) разрушающее число циклов.
После подстановки уравнений (2), (3) в формулу (1) получаем выражение для подсчета откорректированного разрушающего числа циклов по критерию малоцикловой прочности
Ж=±
0.25 • ^£(1.35 - 0.65г) пакааа (1.35 - 0.65г) - 0.35ств (1 - г)
В табл. 1 приведены результаты расчета параметра N для зоны Д каркаса, в которой повреждение металла наступает наиболее быстро. Варианты расчета в зависимости от конструктивного исполнения каркаса обозначены в табл. 1 следующим образом:
Таблица 1
Значения параметров при расчете зоны Д каркаса крана КПЛ 16-30 на малоцикловую прочность
2
п
Расчетный ав, E аа Г к,а п, nN N.
случаи МПа МПа % МПа
С 390 2,1 105 52 100 -0,28 4 1,5 5 1250
Y 390 2,1 105 52 76,5 -0,28 4 1,5 5 2500
С нл 540 2,1 105 58,6 100 -0,28 4 1,5 5 2200
Унл 540 2,1 105 58,6 76,5 -0,28 4 1,5 5 4750
С - каркас существующей конструкции (пр.Р108), выполненный из стали ВСт.Зпс4; Y - каркас усиленной конструкции с увеличенной высотой сечений балок, выполнений из стали ВСт.Зпс4; С - каркас существующей конструкции, выполненный из низколегированной стали 10ХСНД;
У - каркас усиленной конструкции, выполненный из низколегированной стали 10ХСНД.
В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Учитывая сложный характер нагружения каркаса крана КПЛ 16-30, недостаточно проводить проверочные расчеты в обычном объеме на статическую прочность и на выносливость по критерию многоцикловой прочности. Целесообразно проводить расчеты на малоцикловую прочность с учетом циклических напряжений в элементах металлоконструкции на экстремальном уровне. Очевидно, что величина и степень повторяемости экстремальных напряжений зависят от конкретных условий работы того или иного крана, конструкции и регулирования гидромеханизма изменения вылета стрелы и других факторов. Методика расчета металлоконструкции каркаса на малоцикловую прочность должна отрабатываться в ходе дальнейших исследований по этому вопросу.
2. Полученные на данной стадии исследования результаты показывают (см. табл. 1), что для существующей конструкции каркаса (Р108) откорректированное разрушающее число циклов нагруженая составляет N = 1250. Не исключено, что в тяжелых условиях работы фактическое число циклов экстремального нагружения может превысить значение 1250 в течение первой навигации, Этим можно объяснить раннее появление в отдельных случаях повреждений металлоконструкции каркаса.
3. В случае замены стали ВСт.Зпс4 на низколегированную сталь 10ХСНД откорректированное разрушающее число циклов (при проведении расчета на малоцикловую прочность на основе «жесткой» модели нагружения) составляет N = 2200. Такой результат можно поставить в определенное соответствие с данными эксплуатации
Е.И. Адамов, Н.П. Гладков, В.Е. Тяжелов
Анализ прочности каркаса плавучего крана КПЛ16-30 при малоцикловом нагружении
крана КПЛ 16-30 № 45, каркас которого выполнен из стали 10ХСНД. Повреждения металлоконструкции зафиксированы в этом случае через две навигации.
4. При увеличении высоты сечений балок каркаса (см. табл. 1, расчетный случай Y) повышается малоцикловая прочность при N = 2500.
5. Для повышения малоцикловой прочности каркаса, кроме мер конструктивного характера, существенное значение имеет снижение уровня экстремального нагруже-ния, достигаемое, в частности, путем дальнейшего улучшения работы гидромеханизма изменения вылета стрелы, особенно в режимах торможения стреловой системы.
Список литературы:
[1] Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. - М: Физматлит, 2008, 424 с.
[2] Серенсен С.В. Несущая способность и расчёты деталей машин на прочность./ С.В. Серен-сен, В.П Когаев, Р.Ш. Шнейдерович/ - М.: Машностроение , 1975. - 488 с.
[3] Серенсен С.В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению, - М. : Атомиздат, 1975. - 192 с.
ANALYSIS OF STRENGTH FRAME FLOATING CRANE KPL 16-30
IN LOW-CYCLE LOADING
E.I. Adamov, N.P. Gladkov, V.E. Tyazhelov
Keywords: low cycle loading, macroscopic crack, multicycle loading, steel structure of the
This article reviews the results of the analysis of the strength of the carcass floating crane KPL 16-30 on the assumption that repeated (with the number of cycles 104) extreme application of cyclic stresses.
crane.
УДК 621.86.063
И.В. Никитаев, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ»
A.С. Рукодельцев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
Н.П. Гладков, заместитель генерального директора, начальник отдела экспертизы ПС и МП ООО «Экспертный центр»
B.Е. Тяжелов, главный инженер ООО «Экспертный центр» 603004, г. Нижний Новгород, пр. Ленина, 88
ГРЕЙФЕР ДЛЯ ДОБЫЧИ РУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ГЛУБИНЫ ДО 300 МЕТРОВ ПЛАВУЧИМИ КРАНАМИ
Ключевые слова: грейфер, гидроцилиндр, способ добычи, замыкающая лебедка, поддерживающая лебедка, гидростатическое давление.
В статье приводится обоснование грейфера для добычи рудных материалов под водой с глубины до 300 метров, в котором функцию замыкающей лебёдки выполняет гидроцилиндр со встроенным в него обратным клапаном, работающим от столба жидкости. Приводится описание работы грейфера с учетом действующих на него сил при зачерпывании грунта.
