CC BY
67
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 2 (58) 2018
УДК 624.014.25:621
В. В. Москвичев1, Е. А. Чабан2
DOI: 10.26731/1813-9108.2018.2(58).8-18
1 Институт вычислительных технологий СО РАН, СКТБ «Наука», г. Красноярск, Российская Федерация
2 Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, Российская Федерация
Дата поступления: 12 апреля 2018 г.
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК В ШТАТНЫХ И АВАРИЙНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация. Высокий уровень износа основных производственных фондов инженерных сооружений и металлоконструкций, а также эксплуатация объектов в запроектных сроках способствуют возникновению аварийных ситуаций, вызванных большим накоплением повреждений. Для подкрановых балок мостовых кранов тяжелых режимов работы, эксплуатируемых в условиях циклического нагружения, характерно интенсивное накопление повреждаемости и длительные сроки эксплуатации с усталостными трещинами. Представлены результаты численных исследований несущей способности подкрановой балки в штатных и аварийных условиях эксплуатации на основе конечноэлементного анализа напряженно-деформированного состояния. По результатам проведенных расчетов получены распределения интенсивности напряжений, возникающих в верхней зоне стенки подкрановой балки по ее длине при различных величинах эксцентриситета нагружения, обусловленного смещением рельса от вертикальной оси сечения балки. Выявлено, что увеличение эксцентриситета нагружения ведет к ускоренному развитию аварийной ситуации с резким падением несущей способности подкрановой балки. Установлена зависимость напряженно-деформированного состояния стенки балки от ряда факторов в случае штатного режима эксплуатации и при возникновении аварийной ситуации. Показано, что наличие трещины приводит к перераспределению напряжений в стенке подкрановой балки. Рассмотрена зависимость скорости роста трещины от величины эксцентриситета нагружения балки и интенсивности напряжений, возникающих в вершине трещины. На основе традиционных методов механики разрушения вы-полнен анализ остаточного ресурса подкрановых балок с эксплуатационными дефектами.
Ключевые слова: подкрановая балка, интенсивность напряжений, напряженно-деформированное состояние, усталостная трещина, аварийная ситуация, остаточный ресурс.
V. V. Moskvichev1, E. A. Chaban2
1 Institute of Computational Technologies of SB RAS, Krasnoyarsk Branch Office, Special design and technology bureau "Science ", Krasnoyarsk, the Russian Federation
2 Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, the branch of Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, the Russian Federation Received: April 12, 2018
THE BEARING CAPACITY OF THE SUBCRANE BEAMS DURING REGULAR AND EMERGENCY OPERATION
Abstract. The high level of wear of the fixed production assets of engineering constructions and metalwork as well as the operation of objects in beyond design basis terms could cause the damage emergency due to the great amount of damage and loss. The intensive accumulation of damageability and the long terms of operation with fatigue cracks are characteristic of subcrane beams of bridge cranes of the heavy operating modes under the conditions of cyclic loading. The article presents the results of numerical researches of the bearing ability of a subcrane beam in regular and emergency operation on the basis of the final element analysis of the stress-strain state. By the results of the calculations, the distributions of tension intensity of stresses arising at the upper zone of a subcrane beam wall along its length at various values of eccentricity of the loading caused by the rail displacement from a vertical axis of the beam section are obtained. It has been found that the increase of the loading eccentricity could lead to the accelerated development of the emergency situation with the sharp decrease of the load-bearing capacity of the subcrane beam. The consistent patterns of the stress-strain state of the beam wall due to a number of factors in normal and in emergency operation have been determined. It has been shown that the crack could lead to the redistribution of stresses in the subcrane beam wall. The dependence of a crack growth rate on the size of eccentricity of beam loading has been considered and intensity of stresses arising at the top of the crack. Based on the traditional methods offracture mechanics, the analysis of the residual resource of subcrane beams with operational defects has been made.
Keywords: subcrane beam, stress intensity, stress-strain state, fatigue crack, emergency, residual resource.
Введение
Для подкрановых балок (ПБ) мостовых кранов тяжелых режимов работы в условиях циклического нагружения характерны интенсивное накопление повреждаемости и длительные сроки эксплуатации с усталостными трещинами. Долговечность элементов конструкций, в том числе и ПБ, с развивающимися в них трещинами может
составлять от 10 до 80 % общей долговечности конструкции. В этом случае предельное состояние по потере несущей способности возникает путем реализации разрушения на определенной стадии развития усталостных трещин [1, 2]. Нормами проектирования СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции» предусматриваются поверочные расчеты подкрановых конструкций на выносливость, но
8
© В. В. Москвичев, Е. А Чабан, 2018
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 58, no.2
это не исключает возникновение усталостных трещин уже на ранней стадии эксплуатации. Опыт и результаты технического обследования ПБ, эксплуатируемых в цехах металлургических производств, показывают, что повреждения, в том числе усталостные трещины протяженностью до 500 мм, возникают уже после 1-3 лет эксплуатации [3-5], в то же время требования РД 10-138-97 «Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин. Ч. 1. Общие положения. Методические указания» не допускают эксплуатацию с такими повреждениями.
Появление усталостных трещин является одной из причин классификации балок как неработоспособных (более 50 % обследуемых ПБ), согласно действующим нормам Ростехнадзора. Безусловное выполнение данных требований приведет к массовому выводу ПБ из эксплуатации при сохранении ими несущей способности. В этой ситуации необходим дополнительный анализ остаточного ресурса ПБ с эксплуатационными дефектами, основанный на численных исследованиях напряженно-деформированного состояния (НДС) ПБ в штатных и аварийных ситуациях и регулируемый соответствующими нормативными документами [1, 2]. Штатные режимы предполагают эксплуатацию ПБ без дефектов и повреждений при уровнях нагрузок, предусмотренных нормативными расчетными случаями. Наступление аварийных ситуаций для ПБ возможно вследствие возникновения одиночных повреждений или при возникновении нескольких повреждений различного типа.
В качестве основного инструмента исследования НДС применялось конечноэлементное моделирование с использованием программного обеспечения ANSYS 5.7. В качестве основной характеристики для оценки сложного напряженного состояния ПБ использовались значения интенсивности напряжений а,.
Выявляемый при технических освидетельствованиях эксцентриситет приложения крановой нагрузки оказывает существенное влияние на характер НДС ПБ: с увеличением эксцентриситета приложения нагрузки значения интенсивности напряжений и максимальных касательных напряжений существенно увеличиваются. Данное обстоятельство создает предпосылки для возникновения трещин усталости и указывает на необходимость более жестких ограничений на смещение рельса от оси симметрии балки и его контроль в процессе эксплуатации.
Предельное состояние ПБ по потере несущей способности при возникновении усталостной трещины наступает на определенной стадии ее
развития в условиях циклического нагружения. Возникновение предельного состояния ПБ характеризует начало аварийной ситуации (АС), способной привести к катастрофическим разрушениям. Наступление АС предполагает наличие усталостной трещины различной длины и разного местоположения, при этом нагружение балки осуществляется, как правило, с эксцентриситетом е, возникающим за счет смещения оси рельса относительно вертикальной плоскости симметрии балки. Основой для расчетного анализа предельных состояний ПБ и их несущей способности были исследования НДС в штатных и аварийных условиях их эксплуатации [1, 2].
Расчетные схемы и модели ПБ
При штатных режимах эксплуатации в ходе численного эксперимента определялось НДС разрезной подкрановой балки, запроектированной для эксплуатации в электролизном цехе АО «КрАЗ», а также исследовалась модель ПБ, испытания которой проводились в лаборатории кафедры металлических и деревянных конструкций Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (НГАСУ) (табл. 1) [6]. Геометрические параметры модели балки в лаборатории НГАСУ соответствовали 6 метровой типовой ПБ в масштабе 1:2. Материал балки -сталь С255 по ГОСТ 27772-88 (предел текучести ат = 245 Н/мм ; временное сопротивление ав = 370 Н/мм2). ПБ нагружалась собственным весом, равномерно распределенным по узлам конечноэле-ментной сетки модели, и крановой нагрузкой, передаваемой через подкрановый рельс. Нагружение балки от колеса крана осуществлялось с учетом распределяющего эффекта подкранового рельса согласно СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции» [1, 2]. Величина сосредоточенного давления катков принималась 45 кН.
Расчет НДС ПБ проведен для случаев эксцентричного приложения нагрузки 15 мм и 30 мм и без эксцентриситета. Величины эксцентриситетов определялись исходя из общих допусков на устройство и эксплуатацию крановых путей: предельное смещение оси рельса с оси стальной ПБ при устройстве крановых путей не должно превышать 15 мм. При техническом освидетельствовании в ходе эксплуатации были выявлены смещения более 30 мм.
При численном исследовании АС ПБ распределения компонент НДС стенки балки анализировались для усталостной трещины над ребром жесткости приопорного отсека балки - АСПБ-1 и в верхней зоне стенки (ВЗС) приопорного отсека балки - АСПБ-2 (табл. 1), как наиболее часто встречаемых при технических освидетельствованиях.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 2 (58) 2018
Расчетные схемы подкрановых балок
Т а б л и ц а 1
Геометрические размеры ПБ и их нагружение при штатных условиях эксплуатации
Проектная ПБ, эксплуатируемая в электролизном цехе АО «КрАЗ»
Опэрнег ре5ро 18x320
зЛ
„ т . ^———>
Модельная ПБ для лабораторных испытаний в НГАСУ
Ребро жесткости
Опорное ребро 3x1«)
/
"V
Г 11 8 тт 1 '
с 500, 500 3000
4
Аварийные ситуации для ПБ
АСПБ-1
АСПБ-2
Также исследовалась зависимость НДС стенки ПБ от длины трещины 1тр с учетом влияния эксцентриситета приложения нагрузки.
Согласно результатам натурного эксперимента, проведенного в лаборатории НГАСУ, усталостная трещина в ВЗС ПБ интенсивно растет до 1 = 300 мм, затем ее рост несколько замедляется. По статистическим данным обследования ПБ в электролизных цехах АО «КрАЗ», 35 % трещин в ВЗС имеют длину от 210 до 300 мм. Таким образом, для численной модели ПБ были приняты следующие длины трещин: 11 = 100 мм; 12 = 200 мм; 13 = 300 мм (табл. 1). По результатам численных экспериментов были получены поля распределения напряжений в стенке ПБ при штатных (табл. 2) и аварийных (табл. 3) условиях ее эксплуатации.
Напряженно-деформированное состояние подкрановых балок в штатных режимах эксплуатации
В результате проведенных расчетов НДС ПБ были получены распределения интенсивности напряжений а, по длине балки при разных значениях эксцентриситета нагружения (рис. 1). Анализ
полученных результатов позволяет сделать ряд выводов:
- характер изменения интенсивности напряжений указывает на зависимость напряжений от величины эксцентриситета нагружения;
- максимальные значения интенсивности напряжений а, зависят от конструктивных особенностей балки и возникают в приопорной зоне за счет повышенной жесткости балки в вертикальном направлении в зоне опорного ребра;
- минимальные значения интенсивности напряжений а, возникают над ребром жесткости;
- значения интенсивности напряжений а, в отсеках ПБ при их нагружении колесом крана посередине увеличиваются по мере приближения нагрузки к центру ПБ;
- напряжения, возникающие в ВЗС возле ребра жесткости, резко увеличиваются по сравнению с напряжениями, возникающими над ребром жесткости.
Машиностроение и машиноведение
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 58, no.2
Т а б л и ц а 2
Поля интенсивности напряжений, возникающих в стенке ПБ при штатных условиях эксплуатации
е = 0 мм
е = 8 мм
е = 15 мм
В центре отсека, ближайшего к центру балки
Над ребром жесткости
Возле опорного ребра
Анализ распределений интенсивности напряжений ъ, возникающих в ВЗС в пределах одного отсека (рис. 1), показал, что их изменение происходит одинаково при всех значениях эксцентриситета в каждом отсеке. При нагружении балки колесом крана над ребром жесткости значения ъ, минимальны, поскольку сечение, воспринимающее нагрузку, увеличивается за счет ребер жесткости. В случае нагружения колесом крана в непосредственной близости с ребром жесткости, интенсивность напряжений, возникающих в ВЗС, резко возрастает за счет появления значительного уровня касательных напряжений тху. При дальнейшем приложении нагрузки вдоль отсека значения напряжений несколько падают, однако при достижении нагрузкой середины отсека снова повышаются ввиду увеличения изгибающего момента стенки отсека из ее плоскости. Значительные уровни напряжений, по сравнению со значениями, возникающими вдоль всей балки, возникают при ее нагружении возле ребра жесткости, ближайшего к опорному ребру.
Таким образом, возникновение наибольших значений ъ, при нагружении колесом крана возле
ребер жесткости, особенно возле опорного ребра, объясняет возникновение усталостных трещин непосредственно возле ребер жесткости при натурном эксперименте, проведенном в НГАСУ, и частое их выявление в этой области при проведении технических освидетельствований [1, 6].
Также результаты численного исследования НДС показали, что в случае нагружения ПБ без эксцентриситета интенсивность напряжений, возникающих в проектной ПБ, находится в пределах 17,4 ... 71,9 МПа, что говорит об отсутствии напряжений, превышающих допускаемые значения.
При эксцентриситете приложения нагрузки, равном 15 мм для проектной ПБ, величина ъ, нахо дится в пределах 12,4 ... 201,2 МПа, что также еще не превышает предела текучести стали. Такие уровни напряжений в условиях статического нагружения не оказывают существенного влияния на несущую способность балок, но при длительных периодах циклического нагружения возможно образование усталостных трещин.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 2 (58) 2018
«О
300
200
100
о
>3 \ 1 1
Л Ж Г ■ 1)
/ Л / 1 / \ , к \ ¡1
* 1 1 ( чУ \ J 1 1 / V I 1 !
1 \ 1 ■ ж [ г ■ 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 £ ; ч Л, ■ 1 ! Г 1 1 1
ч ц Л. ч -ч IV V Л
г— Г -1 Л г * 1 —V- -к- * г \ ( г 1
1 1 >
1 1
л А! Ч / Ч
■ Л 1 J
1 к 1
500х
0 хш
Мро жег воет
Барс жсгносш
Опорное ребро
Цщг{вл>те ребро лнгнкхя
Рис. 1. Линии влияния интенсивности напряжений по длине подкрановой балки при разных эксцентриситетах: 1 - е = 0 мм; 2 - е = 8 мм; 3 - е = 15 мм
При эксцентриситете нагружения 30 мм а находится в пределах 10,7 ... 289,7 МПа. В этом случае уровни напряжений становятся недопустимыми для конструкций, работающих в условиях циклического нагружения [1, 6]. При увеличении эксцентриситета увеличиваются значения максимальных касательных напряжений, следовательно, увеличивается опасность возникновения и ускоренного развития усталостной трещины.
Напряженно-деформированное состояние подкрановых балок при аварийных ситуациях
По результатам численных экспериментов для ПБ со стенкой, ослабленной трещиной, были получены поля распределения интенсивности напряжений а, (табл. 3) и построены линии влияния интенсивности напряжений в вершинах трещин при АСПБ-1 и АСПБ-2 (рис. 2, 3) [2].
Для случая АСПБ-1 (табл. 1) с трещиной длиной 100 мм, при нагружении без эксцентриси-
тета уровень максимальной интенсивности напряжений, возникающих в ее вершинах одинаков и составляет 450 МПа; при эксцентриситете е = 8 мм уровень а, в вершинах составляет 500 и 590 МПа; при е = 15 мм наибольшая интенсивность напряжений составляет 620 МПа. При длине трещины 200 мм уровень напряжений увеличивается более чем в 2 раза для всех случаев нагружения. При длине трещины 300 мм уровень возникающих в вершинах трещины напряжений сохраняется. Для трещин длиной 200 и 300 мм характерна большая разница между интенсивностями напряжений, возникающих в вершинах трещин.
Для АСПБ-2 (табл. 1) с трещиной длиной 100 мм при нагружении без эксцентриситета уровень максимальной а! в ее вершине составляет 800 МПа; при эксцентриситете е = 8 мм - 1050 МПа; при е = 15 мм наибольшая составляет 1300 МПа.
оо ее I
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 58, no.2
a)
б)
в)
140 0 1200 ■ 1000-so о ■ 600-40CI ■
öj. МПа
—г
440 460
.Ребро жесткости
_______I
0 500 — 1 540 1 1 1 1 1 580 620 660 1=1— 700 -1- 740 -1- 780 -1-* 820 .Y мы
<— 1 =300 мм -*
Рис. 2. Линии влияния интенсивности напряжения в вершинах трещин АСПБ-1 длиной I = 100 мм (а); 200 мм (б); 300 мм (в): 1 - е = 0 мм, 2 - е = 8 мм, 3 - е = 15 мм
Для трещины длиной 200 мм уровни возникающих интенсивностей напряжений для эксцентриситетов 0, 8 и 15 мм составляют 1400 МПа, 1420 МПа и 1560 МПа, соответственно. Для трещины длиной 300 мм ст^ составляет: при е = 0 мм - 1600 МПа; при е = 8 мм - 1470 МПа; при е = 15 мм - 1510 МПа.
Анализ результатов исследования НДС стенки ПБ в аварийных ситуациях показывает, что при нагружении ПБ в области расположения трещины в стенке происходит перераспределение напряжений (табл. 3): максимальные значения
напряжений локализуются в вершинах трещины. В зависимости от длины трещины и места нагруже-ния по длине балки локализация интенсивности напряжения может происходить в обоих концах трещины или в одном - ближайшем к месту нагружения. Чем больше длина трещины, тем более вероятна локализация напряжений именно в одной вершине трещины. [2, 9, 10].
Анализ линий влияния интенсивности напряжений в вершинах трещин (рис. 2, 3) показывает, что их максимальные значения возникают в случае нагружения колесом крана на некотором расстоянии от вершины трещины в пределах ее
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 2 (58) 2018
длины. При различных длинах трещин возникает разное соотношение между максимальными значениями интенсивности напряжений, возникающих в обеих вершинах одной трещины. Для обеих вершин уровень возникающих напряжений превышает предел прочности, что говорит о возможном росте трещины в обоих направлениях. Скорость развития ветвей трещины различается, поскольку зоны пластичности в вершинах трещины, в силу конструктивных особенностей самой ПБ, имеют разные размеры [2]. С увеличением длины трещины наибольшие значения интенсивности напряжений возникают в вершине и не превышают предела прочности вне зависимости от эксцентриситета. Это объясняет направление распространения усталостной трещины, получаемое при натурном эксперименте, проводимом в НГАСУ. Наиболее опасной АС для ПБ со стенкой, ослабленной трещиной, является АСПБ-2, поскольку уровень интенсивности напряжений, возникающих в вершине трещины в приопорном отсеке,
существенно выше, чем в случае АСПБ-1. При одинаковых длинах трещин при АСПБ-1 и 2 в приопорном отсеке интенсивность напряжений в два раза выше, чем в центральном отсеке, при этом с увеличением длины трещины уровень интенсивности напряжений, возникающих в их вершинах, возрастает.
Интенсивность напряжений в вершине трещины в зависимости от ее длины для АСПБ-1 увеличивается с ростом трещины и зависит от эксцентриситета. С увеличением длины трещины степень зависимости уровня возникающих в ее вершинах от эксцентриситета нагружения ПБ уменьшается. Таким образом, наличие эксцентриситета оказывает большое влияние на возникновение трещины и начальное ее развитие, но при достижении трещиной определенной длины ее дальнейшее развитие от величины эксцентриситета практически не зависит [2].
Т а б л и ц а 3
Поля интенсивности напряжений, возникающих в вершинах трещины при разных значениях
эксцентриситета
оо ее I
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 58, no.2
а) б)
в)
Рис. 3. Линии влияния интенсивности напряжения в вершинах трещин АСПБ-2: I = 100 мм (а); I = 200 мм
(б); I = 300 мм (в): 1 - е = 0 мм, 2 - е = 8 мм, 3 - е = 15 мм
Оценка остаточного ресурса
Напряженное состояние в вершине трещины характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений (КИН), а энергетические затраты при развитии трещин описываются величиной J-интеграла [9-14].
Для проведения расчетов несущей способности ПБ с трещинами предлагается использовать эффективные (условные) значения КИН, определяющие взаимосвязь между основной характеристикой НДС - интенсивностью напряжений а, в вершине трещины и длиной трещины l в форме [7]
Kief =а,Р, (1)
где Kief - эффективное значение коэффициента интенсивности напряжений, учитывающее конечные размеры элементов конструкции и условия ее
нагружения; ai - значение интенсивности напряжений для рассматриваемой длины трещины I в ее вершине.
Для решения задач оценки показателей ресурса и живучести с достаточной степенью точности может быть использована в качестве модели скорости роста трещины степенная зависимость, полученная на основе формулы, предложенной Пэрисом:
и = £ = ск)■, (2)
где С, п - характеристики циклической трещино-стойкости; Ке/ - максимальные эффективные значения КИН в цикле нагружения, учитывающие условия нагружения ПБ при ее эксплуатации, а также ее конструктивные особенности [7, 8, 14, 15].
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 2 (58) 2018
Число циклов до разрушения определяется по формулам:
( \ 1
Nс =
(п - 2) С
п-2
п-2
Nс =
/ 2 - / 2
V '0 'с J
■■ 1п /с
Са2
/п
при п Ф 2,
при п = 2,
(3)
где /0, /с - начальная и критическая длины трещин.
Исходными данными для определения скорости роста трещины являются: значения КИН К/ вычисленные по формуле (1) для рассматриваемой длины трещины /, соответствующее ей число циклов нагружения N. Диаграмма циклического разрушения для трещины, развивающейся в верхней зоне стенки подкрановой балки, построена в координатах и - К/ (рис. 4, а).
Для ПБ, в ВЗС которой в ходе эксплуатации развивается продольная усталостная трещина, характеристики циклической трещиностойкости
ц
м/ЦИКЛ_
имеют следующие значения: п = 2; С = 1,2440-12 ■м/цикл [16].
На основе формул (1) и (3) устанавливается связь между эффективным коэффициентом интенсивности напряжений Ке/, числом циклов нагружения N, уровнем нагруженности ai и длиной трещины:
Ке/ = F(N,4,/,С,п). (4)
Повышение уровня интенсивности напряжений в вершине трещины происходит при увеличении эксцентриситета нагружения, т. е. наличие эксцентриситета нагружения ПБ способствует возникновению отказа при длине усталостной трещины гораздо меньшей, чем при его отсутствии (рис. 4, б). В вершине усталостной трещины первоначальной длины 100 мм при наличии эксцентриситета нагружения е = 15 мм возникает интенсивность напряжений порядка 400 МПа, что резко снижает долговечность ПБ, по сравнению с ПБ, не имеющей эксцентриситета нагружения.
ю"
10"
10"
100 158 200 251 316 501 1000
Щф МПалм
а)
о. МПа
1584
400
300
200
V N \ ч
1.
400
300
200
Ч
100
200
300 400 500 1. мм
10' 2 4 6 10'' 2 4 6 10ь У, цикл
б) в)
Рис. 4. Диаграмма усталостного разрушения (а); зависимость интенсивности напряжений в вершине трещины от критической длины трещины (б)
и числа циклов нагружения (в)
Увеличение эксцентриситета нагружения ПБ ведет к ускоренному развитию аварийной ситуации с резким падением несущей способности ПБ более чем на порядок по числу циклов нагружения. Усталостная долговечность ПБ, как правило, зависит от эксцентриситета нагружения,
длины усталостной трещины, уровня интенсивности напряжений в вершине трещины [2, 3]. Если уровень роста Ке/ ограничить некоторым критическим значением КИН Кс, то можно определить критическое число циклов нагружения и длину трещины. Для исследованной
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 58, no.2
стали принято КС = 280 МПаVм [16]. При понижении интенсивности напряжений в вершине трещины критическая длина трещины и число циклов нагружения увеличиваются (рис. 4, в).
Заключение
Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о пропорциональной зависимости интенсивности напряжений ПБ, характеризующей ее сложное напряженное состояние, от эксцентриситета приложения нагрузки в случае штатного режима эксплуатации и при возникновении АС. При штатном режиме эксплуатации ПБ эксцентриситет приложения нагрузки оказывает существенное влияние на характер НДС: с увеличением эксцентриситета значения интенсивности напряжений, а следовательно и максимальных касательных напряжений, увеличиваются, что создает предпосылки для возникновения трещин усталости.
Наступление АС характеризуется возникновением предельного состояния ПБ в результате появления усталостной трещины и ее дальнейшего развития в условиях циклического нагружения. Анализ полученных результатов численного исследования напряженно-деформированного состояния подкрановой балки при эксплуатации в рассмотренных условиях аварийных ситуаций показал, что наличие трещины приводит к перераспределению напряжений в стенке ПБ - максимальные уровни возникающих напряжений в ВЗС локализуются в вершинах трещин. При этом с увеличением длины трещины величина эксцентриситета мало влияет на уровень интенсивности напряже-
ний, возникающих в вершинах трещин. Данное обстоятельство позволяет выявить наиболее опасную АС для ПБ с точки зрения уровня интенсивности напряжений, возникающих в вершине трещины.
Для оценки несущей способности подкрановых балок в условия аварийных ситуаций предложено использовать эффективные значения коэффициентов интенсивности напряжений, рассчитываемых по максимальным величинам интенсивности напряжений, возникающих в вершинах трещин, для конкретных условий нагружения с учетом конструктивных особенностей, размеров трещин и мест их расположения в подкрановой балке. На основе традиционных методов расчета конструкций на циклическую трещиностойкость сформулирован и реализован алгоритм расчета индивидуального ресурса подкрановых балок, включающий обязательный анализ НДС подкрановой балки с трещиной для расчета эффективных значений коэффициентов интенсивности напряжений и построение кинетических зависимостей для скоростей роста трещин. Характеристики тре-щиностойкости С и п, полученные при совместной обработке натурного и численного экспериментов, являются характеристиками материала и условий нагружения элемента конструкции и могут быть использованы при расчете остаточного ресурса подкрановых балок других типоразмеров и при других значениях эксцентриситета нагружения при реализации рассмотренных аварийных ситуаций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Москвичев В.В., Чабан Е.А. Исследование напряженно-деформированного состояния подкрановых балок в штатных режимах эксплуатации // Журнал СФУ. Техника и технологии. 2016. № 4. С. 572-584.
2. Москвичев В.В., Чабан Е.А. Исследование напряженно-деформированного состояния подкрановых балок в условиях аварийных ситуаций // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2016. № 5. С. 3-15.
3. Сабуров В.Ф. Особенности совместной работы крановых рельсов и подкрановых балок в подкрановых путях производственных зданий // Изв. вузов. Строительство. 1995. № 12. С. 8-13.
4. Сергеев А.В., Шафрай С.Д. Влияние особенностей напряженного состояния в подкрановых балках на их прочность и выносливость // Изв. вузов. Строительство. 1997. № 7. С. 9-12.
5. О состоянии подкрановых конструкций корпуса конверторного производства ОАО «Северосталь» / В. Н. Артюхов и др. // Промышленное и гражданское строительство. 2001. № 6. С. 31-34.
6. Васюта Б.Н. Некоторые особенности развития усталостных трещин в верхней зоне стенки сварных подкрановых балок // Изв. вузов. Строительство. 2003. № 10. С. 4-13.
7. Анализ предельных состояний подкрановых балок / М.П. Закревский и др. // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 3. С. 31-33.
8. Крылов И.И., Тарасевич В.В. Живучесть эксплуатируемых сварных подкрановых балок с усталостными повреждениями // Изв. вузов. Строительство. 1998. № 2. С. 17-25.
9. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М. : Металлургия, 1976. 456 с.
10. Механика разрушения и прочность материалов : справ. пособие. Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. Киев : Наук. думка, 1990. 679 с.
11. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем / В.В. Москвичев, Н.А. Махутов, А.П. Черняев и др. Новосибирск : Наука, 2002. 334 с.
12. Механика разрушения и прочность материалов : справ. пособие Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. Киев: Наук. думка, 1990. 679 с.
13. Трощенко В. Т., Покровский В. В., Прокопенко А. В. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении. Киев : Наук. думка, 1987. 256 с.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 2 (58) 2018
14. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М. : Машиностроение, 1981. 272 с.
15. Скляднев А.И., Сердюк В.В. Усталостная долговечность и мера повреждаемости верхней зоны стенки сварных подкрановых балок // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 11. С. 34-36.
16. Механика катастроф. Определение характеристик трещиностойкости конструкционных материалов. Методические рекомендации. М. : Изд. МИБ СТС. Ассоциация КОДАС, 1995. 360 с.
REFERENCES
1. Moskvichev V. V., Chaban E. A. Issledovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya podkranovykh balok v shtatnykh rezhimakh ekspluatatsii [Investigation of the stress-strain state of the crane girders in the regular operation modes] Zhurnal SFU. Tekhni-ka i tekhnologii [SibFU Journal. Engineering & Technologies], 2016, No. 4, pp. 572-584.
2. Moskvichev V. V., Chaban E. A. Issledovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya podkranovykh balok v usloviyakh avariinykh situatsii [Investigation of the stress-strain state of crane beams in emergency situations]. Problemy bezopasnosti i chrezvy-chainykh situatsii [Safety and Emergencies Problems], 2016, No. 5, pp. 3-15.
3. Saburov V. F. Osobennosti sovmestnoi raboty kranovykh rel'sov i podkranovykh balok v podkranovykh putyakh proizvodstven-nykh zdanii [Features of joint operation of crane rails and crane girders in crane tracks of industrial buildings]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo [News of higher educational institutions. Construction], 1995, No. 12, pp. 8-13.
4. Sergeev A. V., Shafrai S. D. Vliyanie osobennostei napryazhennogo sostoyaniya v podkranovykh balkakh na ikh prochnost' i vy-noslivost' [Influence of the stress state features in crane beams on their strength and endurance]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo [News of higher educational institutions. Construction], 1997, No. 7, pp. 9-12.
5. Artyukhov V. N., Shcherbakov E. A., Goritskii V. M., Shneiderov G. R. O sostoyanii podkranovykh konstruktsii korpusa kon-vertornogo proizvodstva OAO «Severostal'» [On the state of the crane constructions of the case of converter production of OJSC Sever-ostal]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and civil engineering], 2001, No. 6, pp. 31-34.
6. Vasyuta B. N. Nekotorye osobennosti razvitiya ustalostnykh treshchin v verkhnei zone stenki svarnykh podkranovykh balok [Some features of the development of fatigue cracks in the upper zone of the wall of welded crane girders]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo [News of higher educational institutions. Construction], 2003, No. 10, pp. 4-13.
7. Zakrevskii M. P., Moskvichev V. V., Kotel'nikov V. S., Chernyaev A. P., Chaban E. A. Analiz predel'nykh sostoyanii podkranovykh balok [Analysis of the limiting states of crane girders]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti [Occupational Safety in Industry], 2004, No. 3, pp. 31-33.
8. Krylov I. I., Tarasevich V. V. Zhivuchest' ekspluatiruemykh svarnykh podkranovykh balok s ustalostnymi povrezhdeniyami [Vitality of exploited welded crane beams with fatigue damage]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo [News of higher educational institutions. Construction], 1998, No. 2, pp. 17-25.
9. Kotsan'da S. Ustalostnoe razrushenie metallov [Fatigue destruction of metals]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1976, 456 p.
10. Mekhanika razrusheniya i prochnost' materialov: Sprav. posobie v 4 t. T. 4. Ustalost' i tsiklicheskaya treshchinostoikost' kon-struktsionnykh materialov [Mechanics of destruction and strength of materials: Reference book in 4 vol. Vol. 4. Fatigue and cyclic crack resistance of structural materials]. Kiev: Nauk. Dumka Publ., 1990, 679 p.
11. Moskvichev V. V., Makhutov N. A., Chernyaev A. P. et al. Treshchinostoikost' i mekhanicheskie svoistva konstruktsionnykh materialov tekhnicheskikh system [Crack resistance and mechanical properties of structural materials of technical systems]. Novosibirsk: Nauka Publ., 2002, 334 p.
12. Fracture mechanics and strength of materials: reference. manual Vol. 4. Fatigue and cyclic fracture toughness of structural materials. Kyiv: Sciences. Dumka, 1990. 679 p.
13. Troshchenko V. T., Pokrovskii V. V., Prokopenko A. V. Treshchinostoikost' metallov pri tsiklicheskom nagruzhenii [Crack resistance of metals under cyclic loading]. Kiev: Nauk. Dumka Publ., 1987, 256 p.
14. Makhutov N. A. Deformatsionnye kriterii razrusheniya i raschet elementov konstruktsii na prochnost' [Deformation criteria of destruction and calculation of structural elements for strength]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1981, 272 p.
15. Sklyadnev A. I., Serdyuk V. V. Ustalostnaya dolgovechnost' i mera povrezhdaemosti verkhnei zony stenki svarnykh podkranovykh balok [Fatigue durability and the measure of damageability of the upper zone of the wall of welded crane girders]. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti [Occupational Safety in Industry], 2004. No. 11, pp. 34-36.
16. Mekhanika katastrof. Opredelenie kharakteristik treshchinostoikosti konstruktsionnykh materialov. Metodicheskie rekomendatsii. Mezhdunarodnyi institut bezopasnosti slozhnykh tekhnicheskikh sistem [Mechanics of disasters. Determination of the characteristics of crack resistance of structural materials. Methodical recommendations. International Institute for the Safety of Complex Technical Systems]. MIB STS Publ., 1995, 360 p.
Информация об авторах
Москвичев Владимир Викторович - д. т. н., профессор, директор Красноярского филиала Института вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук - Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука», г. Красноярск, е-тай: krasn@ict.nsc.ru
Чабан Елена Анатольевна - к. т. н., доцент кафедры «Эксплуатация железных дорог», Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, е-таД: cha-ban_tm@mail.ru
Authors
Vladimir Viktorovich Moskvichev - Doctor of Engineering Science, Prof., Institute of computational technologies of SB RAS, Krasnoyarsk Branch Office, Special design and technology bureau «Science», Krasnoyarsk, e-mail: krasn@ict.nsc.ru
Elena Anatolyevna ^aban - Ph.D. in Engineering Science, Assoc. Prof., the Subdepartment of Railway Operation, Krasnoyarsk Institute of Railway Rransport, branch of Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, e-mail: chaban_tm@mail.ru
Машиностроение и машиноведение
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 57, no.1
Для цитирования
Москвичев В. В. Несущая способность подкрановых балок в штатных и аварийных условиях эксплуатации / В. В. Москвичев, Е. А. Чабан // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2018. - Т. 58. №. 2. - С. 8-18. -DOI: 10.26731/1813-9108.2018.2(58).8-18.
For citation
Moskvichev V. V., Chaban E. A. Nesushchaya sposobnost' pod-kranovykh balok v shtatnykh i avariinykh usloviyakh ekspluatatsii [The bearing capacity of the subcrane beams during regular and emergency operation]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2018, Vol. 58, No. 2, pp. 8-18. D01:10.26731/1813-9108.2018.2(58).8-18.
УДК 531.43 БО1: 10.26731/1813-9108.2018.2(58).19-26
А. В. Данеев 1, С. Н. Думнов 2
1 Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Российская Федерация
2 Восточно-Сибирский институт МВД России, г. Иркутск, Российская Федерация Дата поступления: 16 апреля 2018 г.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА СУЛЬФОХРОМИРОВАНИЯ
Аннотация. В работе отражена актуальность восстановления прецизионных деталей топливных насосов высокого давления (ТНВД) дизельных двигателей. Изучены методы восстановления прецизионных деталей ТНВД. Установлено, что защита от износа может быть обеспечена пленкой, сформировавшейся на металле, за счет нанесения на поверхность химических покрытий, содержащих в своей основе сульфиды, фосфиды и другие химические производные металлов. Приведено обоснование использования метода низкотемпературного сульфохромирования. В результате низкотемпературного суль-фохромирования деталей любой конфигурации на поверхности образуется композиционный слой, состоящий из сульфидов и интерметаллидов. В свою очередь, образовавшийся сульфидный слой дает возможность хорошей приработки сопрягаемых деталей, в нашем случае «плунжер - втулка», с возможностью уменьшения зазора между деталями в пределах 0,4-1,0 мкм. Применение предлагаемого способа является целесообразным ввиду оптимальной технологичности и сравнительно низкой себестоимости. Разработанным способом восстанавливается до 50 % изношенных прецизионных деталей (плунжерных пар) всего ремонтного фонда с износом до 6 мкм. Установлено, что в результате обработки деталей по предлагаемой технологии образуются интерметаллические соединения, которые располагаются по глубине 9-9,5 мкм. Сульфохромированное покрытие пар трения позволит значительно улучшить прирабатываемость напряжений в начальный период работы и повысить их износостойкость в условиях установившегося износа, особенно прецизионных деталей, работающих в жестких условиях эксплуатации. Представлены результаты экспериментальных исследований по выбору оптимального количества ингредиентов, необходимых для восстановления прецизионных деталей данным способом.
_Ключевые слова: изнашивание, прецизионные детали, восстановление._
A. V. Daneev, S. N. Dumnov
1Irkutsk State Transport University, Irkutsk, the Russian Federation
2East-Siberian Institute of the Ministry of Internal Affairs ofRussia, Irkutsk, the Russian Federation Received: April 16, 2018
RESTORATION OF PRECISION PARTS OF HIGH-PRESSURE FUEL PUMPS OF DIESEL ENGINES WITH THE APPLICATION OF SULFOCHROMING METHOD
Abstract. The work reflects the importance of the restoration of precision parts of high-pressure fuel pumps (HPFP) of diesel engines. The authors have studied the methods of restoration of precision parts of high-pressure fuel pumps. It is established that the wear protection can be provided by a film formed on a metal by applying chemical coatings to the surface. The coatings may contain sulfides, phosphides and other chemical derivatives of metals. The article substantiates the use of the low-temperature sulphochroming method. As a result of low-temperature sulphochroming of details of any configuration, a composite layer consisting of sulphides and intermetallic compounds is formed on the surface. In turn, the resulting sulphide layer provides a way for good alignment of the mating parts, in our case these are "plunger and bushing" with the possibility of reducing the gap between the parts within the range of 0.4-1.0 ¡m. The use of the proposed method is expedient in view of the optimal processability and relatively low cost. By the developed method, up to 50 % of the worn out precision parts (plunger pairs) of the entire repair stock with wear up to 6 ¡m are restored. It has been established that, as a result of machining parts by the proposed technology, intermetallic compounds are formed and located at a depth of 9-9.5 um. The sulfochromated coating of friction pairs allows significantly improving the voltage stability in the initial period of operation and increasing their wear resistance under conditions of steady wear, especially precision parts under severe operating conditions. The article presents the results of experimental studies on the selection of the optimal amount of ingredients necessary for the restoration of precision parts using this method.
Keywords: wear, precision parts, restoration.
© А. В. Данеев, С. Н. Думнов, 2018
19
