CC BY
173
УДК 528.48
ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ КРАНОВ МОСТОВОГО ТИПА С КОНИЧЕСКИМИ КОЛЕСАМИ
Ю.И. Пимшин, В.А. Наугольнов, И.Ю. Пимшин
Ростовский государственный строительный университет; Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного _университета «МИФИ»_
Rostov State Building University;
Volgodonsk Engineering and Technology Institute branch of National Research Nuclear University of MEPHI
В данной статье рассмотрены актуальные для атомных станций вопросы, связанные с обеспечением штатной работы ходовой части кранов кругового действия. Исследовано влияние неточностей изготовления колёс по диаметру и по конусности на положение центра качения крана.
Ключевые слова: кран мостового типа, конические колёса, центр мгновенного вращения, неточности изготовления.
The relevant for nuclear power plant issues related to the provision of regular work of running gear of cranes circular. The effect of inaccuracies in the manufacture of wheels of diameter and taper at the center of the rolling crane.
Keywords: the crane bridge type, conical wheel instantaneous center of rotation, the inaccuracies of manufacture.
На 2010 г. в мире действует 29 энергоблоков АЭС с реактором ВВЭР-1000, имеющие в реакторном отделении специальный мостовой электрический кран кругового действия - полярный кран. Наиболее важным краном на АЭС служит полярный кран, рисунки 1,2.
Рисунок 1 - Вертикальное сечение, общий вид полярного крана:
1 - купол ГЗО, 3 - консольные балки,
2 - мост крана, 4 - цилиндрическая часть ГЗО.
Электрический мостовой кран кругового действия АС имеет массу 560-613 т, г/п 320+160/2*70 и пролёт 43 м. Кран расположен под куполом ГЗО. Основными узлами крана являются: мост крана из двух главных и двух концевых балок, опирающихся на систему из главных балансиров, малых балансиров и ходовых колес (по 8 колес на обоих концах крана); привод крана; главная и вспомогательная грузовые тележки г/п 320т и 160/2х70т соответственно; устройство точного наведения.
Рисунок 2 - Полярный кран, вид сверху
По рисунку 1 видно, что консольные балки двутаврового и переменного по высоте поперечного сечения прикреплены к ГЗО одним концом. К ним сверху прикреплены подкрановые балки коробчатого поперечного сечения с расположенным на них рельсом.
На рисунке 3 показано, что 24 консольные балки расположены попарно и приведены схемы их соединения с остальными элементами моделируемой системы:
а) вертикальное сечение системы, вид сбоку;
б) вид спереди, изнутри оболочки.
Для обеспечения его надежной эксплуатации выполняется комплекс мероприятий, в том числе регулярный контроль геометрии подкранового пути, металлоконструкции (м/к) и ходовой части с помощью геодезических измерений. Допуски на отклонения положения кранового рельса от проектного нормируются с целью обеспечения равномерного перемещения крана по рельсу и ограничения перекоса плоскости моста крана.
В результате деформации герметичной оболочки реакторного отделения рельсовый путь крана получает отклонения от плоской, горизонтально расположенной, окружности. Комплексное обследование рельсового пути крана выявило отклонения некоторых его сечений от их номинального положения в вертикальном и радиальном направлениях. Реальная траектория пути - это пространственная кривая, вызывающая определённые изменения НДС м/к крана. Это значимый фактор для напряжённо-деформированного состояния крана. Однако, авторами установлено, что основными факторами, определяющими траекторию движения полярного крана и его ресурс служат геометрические параметры ходовой части крана и его м/к.
Рисунок 3 - Схема расположения и соединения элементов системы м/к:
1 - рельс, 4 - консольная балка,
2 - клиновидные регулирующие 5 - металлическая облицовка,
прокладки, 6 - ГЗО,
3 - подкрановая балка, 7 - тензодатчики.
Производством полярных кранов занимались Россия (ПО «Сибтяжмаш»), Германия и Югославия. За исключением 3-го блока Калининской АЭС, с краном немецкого производства, все остальные краны имели цилиндрические колёса. Для 2-го блока Ростовской АЭС с реактором ВВЭР-1000, по заказу станции ПО «Сибтяжмаш» изготовил полярный кран с коническими колёсами, рисунки 1, 2. Полная масса крана с электрооборудованием 585т. Тип подкранового рельса - КР 140.
Особенности движения полярного крана с цилиндрическими колёсами проанализированы в работах. [1, 2] Показано, что круговое движение полярного крана, имеющего цилиндрические колеса, обеспечивается парами колес, объединенных в малых балансирах. Отмечено, что в пятне контакта каждого цилиндрического колеса на внешней стороне полосы катания рельса наблюдается скольжение рельса относительно колеса, так как расстояние вдоль его больше, чем, пройденный колесом, путь, равный одному обороту. На внутренней стороне полосы катания установлено скольжение колеса относительно рельса, так как, пройденное колесом, расстояние, равное одному обороту, больше чем расстояние вдоль рельса. В этой зоне регистрируется дополнительное усилие, следствием которого является отрицательное ускорение (торможение) для колеса. Таким образом, в пятне контакта цилиндрического колеса формируется момент сил, стремящийся развернуть колесо таким образом, что передняя часть по ходу движения стремится вовнутрь окружности катания.
Показано, что круговое движение полярного крана, имеющего цилиндрические колеса, обеспечивается парами колес, объединенных в малых балансирах.
Доказано, что перекос колеса в горизонтальной плоскости приводит к возникновению в ходовой части крана (малых балансирах, главных балансирах) в концевых и главных балках крана дополнительных напряжений. Вследствие этого появляется увод главной оси симметрии крана с диаметра на хорду, неравномерность движения крана сопряженная с «прострелами» колес, то есть частичным их возвратом в положение меньших напряжений элементов м/к крана. [3] Всё перечисленное обуславливает ненормативное снижение ресурса крана. Изложенная теория получила
практическое подтверждение при измерении геометрических параметров на кранах Ростовской и Балаковской АЭС, а способы технической диагностики ходовой части мостовых кранов реализованы авторами в двух патентах. [4,5]
Рассмотрим особенности движения полярного крана с коническими колёсами.
В начале отметим, что свободное цилиндрическое колесо, стоящее на плоскости, катится по прямой линии, а свободное коническое колесо катится по горизонтальной окружности с центром в вершине конуса. Угол наклона плоскости колеса к плоскости качения в этом случае составляет половину угла при вершине конуса, т.е. равен углу а между высотой конуса и его образующей. Для обеспечения вертикального положения колеса центр качения необходимо поднять по вертикали на половину внешнего диаметра колеса 0,5Б н. При этом траекторией движения колеса будет окружность с радиусом, равным высоте конуса. Движение по окружности цилиндрическими колесами может быть обеспечено с помощью минимум пары колёс. Причём, угол их взаимного разворота определяет радиус этой окружности. То есть с точки зрения обеспечения движения по окружности одно коническое колесо формально эквивалентно паре цилиндрических колёс. Поэтому у полярного крана цилиндрические колёса обязательно должны быть объединены в малом балансире, тогда как конические колёса такого объединения не требуют.
Для 2-го блока Ростовской АЭС коническое колесо полярного крана установлено
вертикально, рисунок 4, имеет угол скоса а = или 0,018617 рад, рисунок 5. Колёса, объединены в малые и большие балансиры, рисунок 2.
Считаем, что колесо смонтировано без отклонения от вертикали. Рассмотрим по отдельности влияние следующих факторов:
а) неточность изготовления по внутреннему и внешнему диаметрам колеса (равномерного износа);
б) неточность изготовления по углу скоса колеса.
Рисунок 4 - Узел механизма передвижения с коническим колесом
Рисунок 5 - а - нормативный угол скоса, а1 - в изношенном состоянии или при
неточности изготовления
Пусть колесо имеет неточность изготовления по диаметрам. Тогда эта неточность, рисунок 5, вызовет смещение центра качения этого колеса от проектного положения на А - отрезок ОО1. Выразим это смещение через изменение наружного радиуса колеса:
Al = OB - OB =
D,
D H - AD _ AR H
2tga 2tga
tga
(1)
Из равенства (1) следует, что зависимость смещения центра качения (центра мгновенного вращения) от неточности изготовления линейная. Отобразим её в виде графика, рисунок 6, построенного посредством Mathcad.
6 5.4 4.8 4.2
3.6
AL( AR) 3 2.4 1.8 1.2
0.6 0
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
AR
Рисунок 6 - График зависимости смешения центров качения конических колёс от неточности изготовления или износа АЯ, мм
Указанная зависимость для практического применения табулирована. Например, при неточности ^ =0,1мм радиальное смещение составило 5,4мм. Отметим, что при эксплуатации допускается износ поверхности катания до 15% толщины обода и разность в диаметрах колёс не более —0 0005 от номинального диаметра. [6] При диаметре 800 мм получим AD = 0.0005 * 800 = 0.4 мм.
Пусть колесо имеет неточность изготовления по углу скоса Да или, что равносильно, неточность изготовления по внутреннему диаметру колеса Dвн. В этом случае эта неточность, рисунок 7, вызовет смещение центра качения этого колеса от проектного положения на Д1 - отрезок ОО1 , длина которого вычисляется по формуле:
Д1 = OB - OB = Dh 1 2
1
1
tga tga1
(2)
где a = a + Да,
или
tga1 =
Rн -(Rвн -AR)
d
(3)
В равенстве (3) d ширина колеса, у обследованных полярных кранов Ростовской и Балаковской АЭС d=240мм.
Рисунок 7 - а - нормативный угол скоса, а1 - в изношенном состоянии или при
неточности изготовления
Как следует из равенств (2), (3) зависимость смещения центра качения (центра мгновенного вращения) от угла скоса Да (неточности изготовления по
внутреннему диаметру колеса) нелинейная.
Отобразим её в виде графика, рисунок 8, построенного посредством Mаthcаd.
500 ----------
450 ----------
400 ----------
350 ----------
300 ----------
АЬ(Аа) 250 ----------
200 ----------
150----------
100----------
50----------
0 ----------
0 0.0017 0.0033 0.005 0.0067 0.0083 0.01 0.01170.0133 0.015 0.0167
Аа
Рисунок 8 - График зависимости смешения центров качения конических колёс от угла скоса Аа (рад) (неточности изготовления АЯ по внутреннему диаметру колеса)
Например, при АЯ = 0,1 мм а = 105'26" радиальное смещение составило 470 мм.
В работе [1] описана специфика движения цилиндрического колеса по окружности, обусловленная трением скольжения в пятне контакта колеса по рельсу и наоборот. Это связано с тем, что внутренняя и наружная части поверхности колеса проходят разную длину пути. Такое же явление возникает и при движении конического колеса по окружности, только внутренняя часть поверхности колеса будет проходить несколько меньший путь по сравнению с цилиндрическим колесом.
Принципиальное различие цилиндрических и конических колёс проявляется и при сборке их в систему - ходовую часть мостового крана. Так неточность в диаметре и радиальное смещение цилиндрического колеса не вызывает существенных трудностей при обеспечении совмещения центра вращения крана и рельсового пути. Цилиндрические колёса могут быть расположены даже на окружностях разных радиусов, только концентрических. У конического колеса радиальное смещение сразу вызывает несовпадение центра его качения с центром вращения крана и рельсового пути. При эксплуатации допускается износ поверхности катания до 15% толщины обода и разность в диаметрах колёс не более ± 0.0005 от номинального диаметра. [6]
Необходимо отметить, что в связи со скосом конического колеса при касании его с цилиндрической частью головки рельса КР - 140 силовая плоскость не проходит через ось симметрии рельса. Последнее обстоятельство приводит к ненормативной нагрузке на рельс в виде изгиба с кручением.
Выводы:
- конические колёса требуют более жёсткого контроля за точностью соблюдения номинальных размеров на заводе-изготовителе, поскольку отклонения даже в пределах допуска существенно сказывается на положении центра качения колеса;
- монтаж и наладка ходовой части крана с коническими колёсами требуют высокой точности соблюдения геометрических размеров конструкции, поскольку для совпадения центра вращения крана и центра рельсового пути в одной точке необходимо совместить центры качения 16 конических колёс;
- для уточнения характера износа и условий напряжённо-деформированного состояния рельса, а также регулирующих прокладок требуется накопить экспериментальный материал и выполнить расчётное обоснование, чтобы предотвратить отрыв башмаков;
- полярные краны требуют обязательного контроля геометрических параметров м/к в совокупности с правильной и точной установкой колёс.
Литература
1. Пимшин Ю.И., Наугольнов В.А., Пимшин И.Ю. Анализ ходовой части кранов радиального действия при движении их по окружности // Изв. ВУЗ Сев. Кавказ. регион. Сер. Техн. науки. - 2009. - Спецвыпуск.- с. 95-100.
2. Пимшин Ю.И., Наугольнов В.А., Пимшин И.Ю. Способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостовых кранов радиального действия // Изв. ВУЗ Сев. Кавказ. регион. Сер. Техн. науки. -2009. - Спецвыпуск. - с. 100-103.
3. Пимшин Ю.И., Пимшин И.Ю., Наугольнов В.А. О методологии контроля геометрических параметров мостовых кранов // Изв. ВУЗ Сев. Кавказ. регион. Сер. Техн. науки.- 2008. - Спецвыпуск.- с. 131-134.
4. Пимшин Ю.И., Пимшин И.Ю., Наугольнов В.А. Способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостовых кранов: Пат. № 2382347 С1. Опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5.
5. Пимшин Ю.И., Пимшин И.Ю., Наугольнов В.А. Способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостовых кранов радиального действия: Пат. № 2384831 С1. Опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8.
6. Диагностирование грузоподъёмных машин / В.И. Сероштан, Ю.С. Огарь, А.И. Головин и др.: Под ред. В.И. Сероштана, Ю.С. Огаря. - М.: Машиностроение, 1992.-192 с.
Пимшин Юрий Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Прикладная геодезия», Ростовский государственный строительный университет. E-mail: geodez@aaanet.ru
Наугольнов Владимир Андреевич - к.т.н., доцент кафедры «Машиностроение и прикладная механика», Волгодонский институт (филиал) ВИТИ НИЯУ МИФИ
Пимшин Иван Юрьевич - ассистент кафедры «Прикладная механика», Ростовский государственный строительный университет. E-mail: geodez@aaanet.ru
Pimshin Yurii I. - doctor of technical science, professor, head of Engineering geodesy department, Rostov State Building University. E-mail: geodez@aaanet.ru
Naugolnov Vladimir A. - candidate of technical science, associate professor, Mechanical engineering and applied mechanics department, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk.
Pimshin Ivan J. - assistant of Engineering geodesy department, Rostov State Building University. E-mail: geodez@aaanet.ru
