Исследование прочности стального каната, подвергнутого высокотемпературному нагреву Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.86/87

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СТАЛЬНОГО КАНАТА, ПОДВЕРГНУТОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ НАГРЕВУ

© 2007 г. О.А. Коваленко

В октябре 2005 г. с одного из литейных кранов ОАО «Северсталь» по причине обрыва был снят стальной канат, проработавший на кране всего один месяц. С участка каната, находившегося во время транспортировки жидкого чугуна на нижних блоках, был вырезан отрезок, который затем был отправлен на исследование на кафедру подъёмно-транспортных машин и роботов ЮРГТУ (НПИ).

В ходе исследования определялось разрывное усилие каждой проволоки исследуемого каната. Аналогичным образом был исследован отрезок другого каната такого же диаметра и конструкции, который не подвергался воздействию высоких температур. Затем для каждого слоя проволок каждого слоя прядей был найден температурный коэффициент снижения проч-

ности Ксп, равный отношению среднего разрывного усилия проволок каната, подверженного воздействию высокой температуры, к среднему разрывному усилию проволок каната, не подвергавшегося воздействию высоких температур (табл. 1).

На основании исследований, приведённых в работе [1], нами получена формула по определению температурного коэффициента снижения прочности материала канатной проволоки:

K сп =

392 - 0,85? 290

или t =-

392 - 290K с

0,85

(1)

где t - температура нагрева проволоки.

Результат применения формулы (1) приведён в табл. 2.

Таблица 1

Снижение прочности проволок каната при его нагреве

№ слоя прядей № слоя проволок Количество проволок Диаметр проволок, мм Предел прочности, МПа Температурный коэффициент снижения прочности Ксп

Каната, подверженного воздействию высокой температуры Каната, не подвергавшегося воздействию высокой температуры

Центральная прядь Центральная проволока 1 1,75 1631 1958 0,833333

1 6 1,7 1693 1807 0,937002

1 Центральная проволока 6 1,75 2019 1935 1,043203

1 36 1,7 1642 1812 0,906621

2 Центральная проволока 6 3,2 1470 1956 0,751559

1 36 2,8 1456 1864 0,781054

2 36 1,3 1137 1691 0,672495

3 72 2,8 659 1828 0,360269

Таблица 2

Результаты вычисления температур проволок

№ слоя прядей № слоя проволок Температурный коэффициент снижения прочности Ксп Температура проволок ?, °C

Центральная прядь Центральная проволока 0,833333 177

1 0,937002 141

1 Центральная проволока 1,043203 105

1 0,906621 152

Центральная проволока 0,751559 205

2 1 0,781054 195

2 0,672495 232

3 0,360269 338

Анализ данных, приведенных в табл. 2, показывает, что при температуре 338 °С прочность проволоки составляет 0,36 от первоначального значения.

Зная температуры проволок, по следующей формуле можно вычислить дополнительные растягивающие напряжения, возникающие в стальном канате вследствие неравномерного нагрева его элементов:

а , = E (е, - Ш), (2)

где E - модуль упругости; k = 13 -10 _б С-1 - температурный коэффициент линейного расширения; t - температура проволоки; е ж - относительное удлинение проволоки, определяется по формуле [2]:

е = -

A,

где Tx - натяжение каната, принимается равным нулю (при расчёте дополнительных растягивающих напряжений, возникающих вследствие неравномерного нагрева элементов стального каната);

Au =

Е n (A13'

е R + A14 е r + A15 kt

A„ =2nA„

число прядей; A11 , A13 , A14 , A15 - коэффициенты жёсткости слоя проволок:

A15 = mEF

-| cosacosß + Rsinasin3 ß

где m - число проволок в слое; E - модуль упругости первого рода; F - площадь поперечного сечения про-

волоки; коэффициенты A11

A

13

A14 определяют-

еs =е| cos acos ß + rsin a cos a sin ßcos ßj + +9(R cos2 a sin ß cos ß + r sin a cos a cos 4 ß) + +е R | cos2 a sin2 ß-RR sin a cos a sin3 ß cos ß | +

где 0 - относительное кручение каната (принимается равным нулю, если концы каната закреплены); е г , е R -относительное увеличение радиуса свивки соответственно проволоки и пряди, для приближённых расчётов можно принять равным нулю; г , r - радиус свивки соответственно проволоки и пряди; а, в -угол свивки соответственно проволоки и пряди; е -относительное удлинение каната.

При отсутствии кручения каната величина е определяется по следующей формуле:

Т- -^ , (3)

ся по методике, описанной в [2].

На рисунке приведён результат расчёта дополнительных напряжений, возникающих в стальном канате вследствие неравномерного нагрева его элементов.

Для подъёмного каната литейного крана коэффициент запаса прочности равен 6,5 при маркировочной группе 1670 МПа и площади поперечного сечения всех проволок каната 873 мм2. Номинальное растягивающее усилие всего каната в этом случае составит

Tx =

1670 МПа • 873 мм 2 • 0,83 6,5

=186164 Н.

После подстановки этого значения в (3), используя (2), получим фактические напряжения, действовавшие в проволоках исследуемого стального каната в процессе эксплуатации. Зная эти напряжения, а также фактический предел прочности, можно определить фактический коэффициент запаса прочности каждой проволоки стального каната (табл. 3).

+ 417 МПа 409 МПа

359 МПа 267 МПа

189 МПа 173 МПа 78 МПа 200 МПа

Перераспределение растягивающих напряжений в стальном канате вследствие неравномерного нагрева его элементов

Таблица 3

Расчёт фактических коэффициентов запаса прочности

2

+е r sin a

n -

№ слоя прядей № слоя проволок Напряжения в проволоках исследуемого каната при его нагреве, МПа Предел прочности, МПа Коэффициент запаса прочности

Центральная прядь Центральная проволока 749 1631 2,18

1 735 1693 2,30

1 Центральная проволока 642 2019 3,14

1 545 1642 3,01

2 Центральная проволока 507 1470 2,90

1 464 1456 3,14

2 351 1137 3,24

3 69 659 9,55

Как видно из табл. 3, фактические коэффициенты запаса прочности проволок стального каната составляют 2,18...3,24 , что значительно меньше нормативного значения, принятого в [3]. Это, по нашему мнению, и является одной из причин низкого срока службы стальных канатов заливочных кранов.

Литература

1. Липатов А. С. Методы повышения безопасности грузоподъёмных кранов при ненормируемых условиях эксплуатации: Дис. ... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2006.

2. ГлушкоМ.Ф. Стальные подъёмные канаты. Киев, 1964.

3. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов. ПБ 10-382-00.

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 21 мая 2006 г.

УДК 621.01

СИЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЯМОЛИНЕИНО-ОГИБАЮЩЕГО МЕХАНИЗМА С ОШИБКАМИ В ПРОЦЕССЕ ЧИСТОГО ОГИБАНИЯ

© 2007 г. А.В. Владимиров

Прямолинейно-огибающие механизмы (ПОМ) относятся к механизмам со сложным движением исполнительного органа, в которых дуга окружности радиуса R, жестко связанная с шатуном Ь, совершает движение - огибание относительно неподвижной прямой L по принципу пресс-папье (рис. 1).

Y

.P

Рис. 1. Прямолинейно-огибающий механизм в процессе «чистого» огибания

В этот момент центр кривизны дуги (точка М) движется приближенно по параллельной прямой с отклонением А TM и скоростью, равными отклонению

А K и скорости точки контакта K дуги и прямой. Затем происходит отрыв и перенос дуги окружности в исходное положение, что соответствует движению точки М по верхнему криволинейному участку шатунной кривой (показано пунктиром). Кроме того, когда дуга окружности огибает неподвижную прямую,

Т

между ними возникает скольжение е , которое является специфической точностной характеристикой прямолинейно-огибающего механизма. Такие механизмы используются для обработки материалов давлением, где важное влияние на качество работы и получаемых изделий оказывает точность самого механизма (особенно это касается технологии рельефных знаков).

Отклонение А TK теоретического механизма траектории движения точки контакта K от прямой линии определяется как разность между текущей ординатой точки K и ординатой в начале интервала приближения

1 -1 - r (cos ф 11). (1)

T I . rjSin ф1

AK = r21 cosarcsin-

Скольжение е теоретического механизма представляет собой разность между перемещением точки K на расстояние L (длина интервала приближения) и огибающей дуги длиной l за это же время

f

= L -1 = 2

r1 Sin ф

1 + — |- R arcsin

b

r1 sin ф

\\