CC BY
125
162
Путевые работы
4. Литература
Александров М.П., Гохберг М.М., Ковин А.А. и др. Справочник по кранам. Т.1-2.Машиностроение. 1988.
Панкратов С.А. Конструкция и основы расчета главных узлов экскаваторов и кранов. Машгиз. 1962.
ТУ 24.04.270-83 “Краны на железнодорожном ходу”.
УДК 621.86.001.24
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ БАШЕННЫХ КРАНОВ БК-1000
В.Л. Уралов, Я.С. Ватулин, С.К. Коровин,
А.П. Попов, В.А. Попов
Аннотация
В статье приводится методика определения остаточного ресурса металлоконструкции башенных кранов БК-1000. Остаточный ресурс машины определяется по лимитирующим узлам, выявленным на этапе обследования металлоконструкции. Результаты тензометрических исследований, полученных в ходе нагружения контролируемых узлов полным технологическим циклом работы машины используются для определения остаточного ресурса с учетом наличия существующих (неустраненных) повреждений (трещин, или любых иных концентраторов напряжений).
Ключевые слова: остаточный ресурс, несущая металлоконструкция, лимитирующий элемент.
Введение
В специфических условиях современного промышленного производства, когда у владельцев отсутствуют финансовые возможности для обновления парка подъемных сооружений, их модернизации и замены изношенных узлов (80% грузоподъемных кранов и подъемников выработали нормативный срок службы), низкой квалификации обслуживающего персонала, весьма актуальной становится проблема обеспечения безопасности эксплуатации подъемных сооружений.
В порядке реализации принятых законодательных актов и постановлений Правительства (Закон “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” (Федеральный закон, 1997), постановление Правительства РФ № 241 от 28.03.01 “О мерах по обеспечению промышленной безопасности производственных объектов”, указание Госгортехнадзора России № 03-35/23 от 04.02.2002.)
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Путевые работы
163
Г осгортехнадзором России организовано массовое экспертное обследование подъемных сооружений, отработавших нормативный срок службы, с целью определения возможности дальнейшей эксплуатации.
В процессе эксплуатации состояние несущей конструкции машины значительно изменяется (увеличиваются зазоры в сочленениях, появляется остаточный прогиб несущих элементов, образуются трещины и пр.) в связи с чем, изменяется и режим нагружения конструкций машины в целом. Поэтому использование проектной расчетной методики для определения нагруженности элементов в этих условиях становится некорректным.
В условиях перераспределения нагрузок в металлоконструкции, вызванное, например, потерей несущей способности какого-либо узла, лимитирующим элементом может оказаться практически любой элемент металлоконструкции. Поэтому следует принимать во внимание не только режим нагружения машины, ее условия эксплуатации, но и в каждом конкретном случае вновь определять тот конкретный элемент металлоконструкции, который является лимитирующим для данной машины и в данных условиях эксплуатации.
Металлоконструкция башенного крана БК-1000 представляет собой комбинацию элементов регулярной формы - ферменные секции стрелы и башни, оголовок, противовесная консоль и элементов, имеющих закрытый профиль - портал, опоры портала и узлы их соединения с ходовыми тележками.
Наибольшие по величине (и их амплитуде) напряжения, возникают в элементах, расположенных ниже опорно-поворотного устройства (ОПУ) -портал и его опоры, узел соединения опоры портала с ходовой тележкой и рама тележки. Поэтому в качестве расчетного элемента рекомендуется принимать узел соединения опоры портала с ходовой тележкой, конструкция которого показана на рис. 1.
По истечению продления срока службы после 4-го повторного обследования или при наличии значительных коррозионных и усталостных повреждений металлоконструкции оценку остаточного ресурса
рекомендуется производить экспериментально-расчетным методом.
1. Расчетно-экспериментальный метод определения остаточного ресурса металлоконструкции кранов
Расчетно-экспериментальный метод базируется на определении напряжений и их амплитуд в опасных сечениях элементов металлоконструкции расчетным или экспериментальным (натурная тензометрия) методом с проведением анализа их влияния на усталостную долговечность с течением времени.
Расчетный метод определения напряжений и их амплитуд в опасных сечениях расчетных элементов базируется на положениях (РД 22-166-86, Краны башенные), при этом обязательным условием является наличие
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
164
Путевые работы
конструкторской документации, содержащей данные об основных параметрах крана (геометрические размеры элементов, их веса, данные о рабочих скоростях механизмов и др.). Расчетные усилия и амплитуды напряжений в опасных элементах определяются при нормативной нагрузке от веса груза в соответствии с распределением нагрузок по циклам работы крана по справке о характере работ крана по приложению (РД 10-112-3976, Методические указания) и номеров сочетания нагрузок РД 22-166-86, Краны башенные).
Рис 1. Конструкция узла соединения опоры портала с тележкой (1 - башмак; 2 - стакан; 3 - полусфера; 4 - полуобоймы; 5 - шкворень).
Экспериментальный метод определения напряжений используется при полном или частичном отсутствии конструкторской документации, препятствующей проведению расчетов по (РД 10-112-3-976, Методические указания), и базируется на средствах натурной тензометрии. Силы, моменты и напряжения в поперечных сечениях элементов определяют с применением тензорезисторов, расположенных на наиболее удаленных от оси элемента волокнах, где деформация, вызываемая рассматриваемым изгибающим моментом, имеет наибольшее значение. Оценку местоположения тензорезисторов на поверхности деталей выполняют с помощью пакетов прикладных программ, реализующих метод конечных элементов.
2. Определение остаточного ресурса по «лимитирующим» элементам
Остаточный ресурс машины определяется по лимитирующим узлам, выявленным на этапе обследования металлоконструкции. Результаты тензометрических исследований, полученных в ходе нагружения
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Путевые работы
165
контролируемых узлов полным технологическим циклом работы машины (подъем груза, перемещение, опускание) используются для определения остаточного ресурса с учетом наличия существующих (неустраненных) повреждений (трещин, или любых иных концентраторов напряжений).
Фактическое напряжение в зоне концентрации у дна трещины сгтах значительно больше равномерно распределенного по сечению а и. Отношение <тта,. / а и характеризует степень концентрации напряжений (теоретический коэффициент напряжений «оу»).
Сопротивление усталости деталей зависит еще и от скорости убывания напряжений по мере углубления внутрь металла. Эта скорость может быть охарактеризована тангенсом угла наклона касательной к эпюре распределения напряжений у поверхности, который равен производной daldx, где jc - расстояние от поверхности до некоторой точки
Л
поперечного сечения, взятое по радиусу - G (кгс/мм /мм) - градиент напряжений.
Величина увеличивается с ростом <ттах, а также с уменьшением радиуса закругления в зоне концентрации, диаметра d или ширины пластинки b. В расчетах используется относительный градиент G (1/мм) первого главного напряжения (вдоль оси бруса)
G =Э1-
(1)
max
Значения оу и G для ряда деталей с концентрацией напряжений
определяются с помощью теоретических решений Нейбера (Брауде В.И. и др., 1986).
Фактическое снижение пределов выносливости вследствие влияния концентрации напряжений оценивается эффективными коэффициентами концентрации ка, под которым понимается отношение предела выносливости образцов без концентрации a_lk, имеющих такие же абсолютные размеры сечений,
(2)
<7-1*
Влияние концентрации напряжений, размеров и формы поперечного сечения, вида нагружения на величину предела выносливости описывается статистической теорией подобия усталостного разрушения.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
166
Путевые работы
Сj
(3)
где, ех- предельное значение, к которому стремиться еа при d^°o (снижение пределов выносливости с ростом абсолютных размеров образца);
L - периметр сечения рабочего детали, прилегающая к зоне повышенной
напряженности для детали с канавками и галтелями (Брауде В.И. и др., 1986).
Постоянная va материала, характеризующая чувствительность материала к концентрации напряжений и размерам сечений (Брауде В.И. и др., 1986).
Предел выносливости натурной детали определяется по формуле
а-1Д ~
a
(4)
где,
sx =0.5 коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения;
F
значение функции определяемое по графику (Брауде
В.И. и др., 1986).
Зная ресурс элемента, выраженный числом блоков нагружения, можно определить предельный ресурс (до изъятия из эксплуатации) элемента Тост, выраженный в годах
Т
С *YN
\^Р ^-‘1У <7
С
ро
(5)
где: X - наработка элемента до отказа (разрушения), циклов;
1б - наработка элемента за срок службы крана, циклов;
Ср - количество дней работы крана в году по справке о работе;
Сро - предполагаемое количество дней работы крана в году после оценки остаточного ресурса;
XNa - суммарное число циклов повторения амплитуд всех уровней в блоке нагружения.
3. Заключение
Методика реализована в виде временных методических указаний по оценке остаточного ресурса башенных кранов марки БК-1000 ВМУ-
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Путевые работы
167
ОРБК.1000-7812009592-2003 (утверждена в ПГУПС МПС РФ от 05.08.2003г.) и программного обеспечения EXEL с табличным интерфейсом ввода-вывода информации.
4. Литература
Федеральный закон № 116-ФЗ от 20.06.1997 г. “О промышленной безопасности опасных производственных объектов”.
РД 10-112-3-976. “Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 3. Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны-лесопогрузчики.”
РД 22-166-86. “Краны башенные строительные. Нормы расчета”.
Брауде В.И., Семенов Л.И. Надежность подъемно-транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1986. - 182 с.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
