CC BY
10УДК 629.5.08
Яблоков Александр Сергеевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры подъемно-транспортных машин и машиноремонта ФГБОУ ВО ВГУВТ, e-mail: pmptmvgavt@yandex.ru
Замятин Андрей Владимирович, магистр, ФГБОУ ВО ВГУВТ, e-mail: pmptmvgavt@yandex.ru
Никитаев Игорь Владимирович, доцент, к.т.н., доцент кафедры подъемно-транспортных машин и машиноремонта ФГБОУ ВО ВГУВТ, e-mail: inikitaev-nir@mail. ru
Хвостов Роман Сергеевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры судовождения ФГБОУ ВО ВГУВТ, e-mail: pmptmvgavt@yandex.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО ВГУВТ)
603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЧАЛЬНОГО ПЕРЕГРУЖАТЕЛЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЪЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ, ОТРАБОТАВШЕГО НОРМАТИВНЫЙ СРОК, НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВРЕЖДЕННОЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ
Ключевые слова: причальный перегружатель, деформация металлоконструкции, напряженно-деформированное состояние, концентрация напряжений, запас прочности, безопасная эксплуатация .
Аннотация. В настоящей статье обсуждается возможность эксплуатации причальных перегружателей КК-26,0-33-10,65-17,5-17,5, изготовленных фирмой «Kranbau Eberswalde GmbH», эксплуатируемых на лесной бирже предприятия АО «Волга». Основная проблема при эксплуатации данных перегружателей - трещины в диафрагмах металлоконструкции, переходящие в основной металл стоек опор. Данные трещины возникают по причине устройства металлоконструкции, а именно - шарнирного соединения опор с фронтальной и тыловой стороны. Используемая конструкция приводит к возникновению дополнительного изгибающего момента при знакопеременных нагрузках, вызванных пусковыми перегрузками при неустановившемся движении перегружателя. Указанные дефекты возможно определить при техническом диагностировании, входящим в состав полного и частичного технического освидетельствования подъемного сооружения, а также при проведении оценки состояния металлоконструкции методами неразрушающего контроля при проведении экспертизы промышленной безопасности опасного производственного объекта. В статье анализируются причины возникновения трещин и определяются пути предотвращения дальнейшего появления трещин, дефектов металлоконструкции причального перегружателя.
В настоящей статье обсуждается возможность эксплуатации причальных перегружателей КК-26,0-33-10,65-17,5-17,5, изготовленных германской фирмой «Kranbau Eberswalde GmbH» эксплуатируемых на лесной бирже бумажного комбината (см. рисунок 1).
Рис. 1. Вид крана
Основной проблемой при определении возможной эксплуатации данных перегружателей является то, что стали возникать трещины в диафрагмах металлоконструкции переходящих в тело опор, и они распространяются веерообразно. Возникает необходимость в определении причин возникновения трещин и определения путей предотвращения дальнейшего появления трещин [1].
Характеристики перегружателей:
- режим работы А7
- механизма подъёма М7
- передвижения крана М6
- передвижения грузовой тележки М6
- температурный режим работы от +40 до - 30
- грузоподъёмность на крюке 26 т
- грузоподъёмность полезная грейферный режим 20 т
- высота подъёма максимальная крюковой режим 14,5 м
- высота подъёма максимальная грейферный режим 10 м
- глубина опускания максимальная крюковой режим 10,5 м
- глубина опускания максимальная грейферный режим 14,5 м
- пролет крана 33 м
- база 10 м Масса, т
- крана с грейфером, используемым в эксплуатации 263;
- тележки 24.4. Максимальные ускорения, g:
- крана 0,05;
- тележки 0,07.
Механические характеристики стали, из которой изготовлены элементы крана, принимались следующими:
- модуль упругости стали Е = 20000кг/мм2;
- коэффициент Пуассона v = 0,3;
- предел прочности стали St 37 ств = 37кг/мм2;
- предел пропорциональности стали St 37 ст02 = 23,5кг/мм2
Этот кран изначально проектировался как конструкция с повышенной податливостью и присущими такому решению недостатками.
При составлении расчетных схем крана использовалась чертежно-конструктор-ская документация фирмы «KranbauEberswaldeGmbH». Далее приняты следующие соглашения:
- направление оси координат X - вдоль перемещения опор крана;
- направление оси координат Y - вдоль перемещения грузовой тележки;
- направление оси координат Z - вверх;
- для упрощения расчета конструкцию крана считаем симметричной;
- жесткость конструкции крана такова, что не приводит к возникновению деформаций от собственного веса;
- собственный вес конструкции крана не учитываем (учитываются только веса грузовой тележки, поворотной подвески, грейфера и груза)
В качестве данных в процессе расчета могут быть использованы параметры: Lтел - вылет тележки по отношению к опорам 17,5 м;
Ртел - вес тележки 24400 кг;
Ргр - вес груза (с поворотной подвеской и грейфером) 12000 кг; Ay - ускорение (замедление) движения крана 0,5 м/с2;
Ax - ускорение (замедление) движения тележки относительно крана 0,7 м/с2; Vz - скорость подъема/опускания груза; 0,67 м/с;
Ду - взаимное смещение опор крана относительно друг друга по оси Y (вдоль рельсов);
Дх - взаимное смещение опор крана относительно друг друга по оси X (вдоль пролета).
В качестве расчетной нагрузки, далее Нагрузка, принимаем сумму весов грузовой тележки (24400 кг) поворотной подвеской, грейфером и грузом (12000 кг), что составляет 36400 кг.
Для оценки деформации крана рассмотрим следующие случаи [2]:
1. Нагрузка находятся на проектном вылете Lтел =17,5 м со стороны шарнирной опоры крана.
2. Нагрузка находятся над шарнирной опорой крана.
3. Нагрузка находятся на середине пролета крана.
4. Нагрузка находятся над жесткой опорой крана.
5. Нагрузка находятся на проектном вылете Lтел = 17,5 м со стороны жесткой опоры крана.
На Рис. 2 представлена схема конструкции крана с расчетной нагрузкой. Для упрощения, разрезаем пространственный каркас плоскостью 5", приводя ее к плоской схеме (Рис. 3).
Рис. 2. Пространственная схема
Рис. 3. Плоская схема
На рисунках 4-8 показаны варианты деформации металлоконструкции, при на-гружении крана согласно схеме указанной на рисунке 3.
Рис. 8. Деформации крана (случай 5)
Все нижние точки опор крана на схемах (Рис. 4-8) представляют собой неподвижные шарниры (Рис. 8) [3].
Как видно из результатов, на опоры крана (в случаях 2 и 4) действуют только вертикальные силы (нагрузка и опорная реакция). Изгибающие моменты в опорах отсут-
ствуют, следовательно, нет предпосылок для возникновения областей концентрации напряжений в опорах.
Заметим, что изгибающие моменты в опорах крана отсутствуют во всех рассмотренных случаях. Деформации, возникающие от нагрузки, воспринимают верхние пролетные балки, а опоры не изгибаются, а поворачиваются в плоскости осей ХХ на шарнирах. Шарнирами здесь являются шарнир опоры и места контакта колесо - рельс.
Все это справедливо, когда кран находится в неподвижном состоянии, но при работе, вследствие неравномерного хода крана, возникает опережение одной опоры относительно другой. Появляется перекос опор с предполагаемой величиной Ду = 400 мм. Следствием этого перекоса является разворот конструкции крана, но только в плоскости верхних балок, а развороту нижних точек опор препятствуют реборды колес (опоры как бы защемляются). В верхнем поясе балок возникает крутящий момент, вызванный парой сил Б-Бс плечом 9600 мм / 2 = 4800 мм [4].
Ьткщ/шщп/щекпршшАг- ШВт /
Рис. 9. Деформации крана при перекосе опор Используем формулу [5]
ф = (Мк ■ I) / (в ■ Ь ■ с ■ О);
где ф - угол закручивания, рад;
Мк - момент кручения, кг ■ см;
I - длина стержня, см;
в - коэффициент, в=0,25;
Ь, с - габариты сечения, Ь=135,3 см, с=59 см;
О - модуль упругости, принимается О = 8 ■ 105 кг/см2
Из этой формулы находим момент Мк:
Ф-В-Ъ ■ С ■ О 0.012057 ■ 0.25 ■135.3 ■ 593 ■ 8-105 оооппп
Мк -=-« 383000 кг■ см
I 1750
а зная плечо (4800 мм) - находим силу Б.
^ 38300000кг ■ см
^ =-= 79800кг.
480см
Таким образом, на конструкцию крана при перекосе опор действует горизонтальная сила вдоль пролета, вызывающая деформации скручивания и изгиба опор.
Для оценки напряжений, возникающих в опоре крана, строим эпюру моментов для случая 5 (нагрузка находятся на проектном вылете 17,5 м со стороны жесткой опоры крана), учитывая действие силы Б.
Находим величину напряжения:
М 63840000кг • см , 2 ст =-=-т-= 4590кг / см
Ж
13905см3
Рис. 10. Эпюра моментов
Найденная величина существенно превосходит предел прочности стали 81 37, равный 3700 кг/см2, что и вызывает появление трещин в элементах конструкции [6].
Основной причиной появления трещин в металлоконструкции является недоработка при конструировании перегружателей, при этом для выявления возможности их дальнейшей эксплуатации необходимо проанализировать места появления трещин, и определить, при каких условиях их можно избежать [7].
Наибольшие проблемы проявились в узле сопряжения стойки жесткой опоры со стяжкой (см. Рис. 11). Конструкция жесткой опоры выполнена из трех сварных коробчатых частей, соединенных чистыми болтами.
Рис. 11. Место образования трещин в жёсткой опоре
На третьем году эксплуатации трещины, образовавшиеся на диафрагмах (см. рис. 12), вышли на стенки стойки и разошлись на них веерообразно [8]. Основная причина образования трещин - высокий уровень концентрации напряжений в ослабленных зонах диафрагмы [13]. Неудовлетворительное качество материала стенок в этом месте дополнительно способствовало развитию усталостных трещин.
Рис. 12. Места образования трещин в диафрагмах
Исходя из этого, было принято решение выявить общий уровень напряжений в опоре и места концентрации напряжений [9], что показано на рисунке 13.
Рис. 13. Места концентрации напряжений
Для снижения напряжения в месте радиусного сопряжения поясов установили накладки. Желая существенно снизить напряжения в проблемных местах, установили усиливающие элементы. В результате этого участок высокой концентрации напряжений сместился на концы ребер элемента усиления и стал в скором времени источником новых трещин [10].
Согласно эскизу, представленному на рис. 14, проведено конечно-элементное моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния крана в том состоянии, в котором он находится в данный момент [11]. Т.е. к неподвижной опоре с обеих сторон приварены стальные косынки, скрепленные между собой пластиной, с тыльных сторон неподвижной опоры приварены стальные Т-образные ребра жесткости.
Рис. 14. Эскиз углового усиления крана с дополнительной пластиной На рисунках 15 и 16 представлена объемная и КЭ модели углового усиления.
Рис. 15 Рис. 16
В результате расчетов при действии нагрузок, получены поля НДС и перемещений крана [12].
На рисунке 17 представлено распределение суммарных перемещений при действии рабочей нагрузки. На рисунках 18, 19 показаны поля интенсивности напряжений при действии рабочих нагрузок.
Рис. 17. Поля суммарных перемещений при действии эксплуатационной нагрузки
Рис. 18. Интенсивность напряжений в косынке при действии нагрузки
1 ^ 3 I ■ п
Э- 9-3 - . тт
I I £ . ■■■!
1РЭ.Й*
й .ьй
^йй.г
Л, 1ч .11
Рис. 19. Интенсивность напряжений в диафрагме при действии нагрузки
Полученные коэффициенты запаса прочности [15] позволяют сделать вывод, что при действии на опоры крана переменных циклических нагрузок, к которым можно отнести эксплуатационные нагрузки, введение пластины, соединяющей косынки неподвижных опор, приводит к ухудшению вибропрочности конструкции.
Для того, чтобы обеспечить работу опор крана без возникновения трещин, необходимо провести мероприятия по модернизации углового усиления опор, приводящие к тому, чтобы напряжения в деталях были ниже, чем предел усталости материалов деталей опор [14].
Еще одним проблемным местом при эксплуатации перегружателей стало место крепления балансирных тележек к жесткой опоре. На рисунке 20 показаны области концентрации напряжения в местах крепления балансирной тележки при передвижении перегружателя перемещением груза.
Выявленные проблемы в металлоконструкции перегружателя заставляют задуматься о целесообразности дальнейшего использования этих перегружателей, так как существующая конструкция жестких опор и возможные варианты их усиления не обеспечивают безопасную эксплуатацию [16]. Владельцами перегружателей было принято решение о дальнейшей эксплуатации причальных перегружателей. Единственным возможным вариантом дальнейшей эксплуатации перегружателей является проектирование и изготовление новой жесткой опоры. Существенной проблемой данного варианта решения проблем являлось согласование в изменении в конструкцию с заводом- изготовителем.
Рис. 20. Места концентрации напряжения
Места концентрации напряжения, выявленные при расчетах и подтвержденные результатами эксплуатации, были усилены, а концентрация напряжений снижена. Это выразилось в увеличении толщины стенок и поясов на 2 мм. Вместо перехода от горизонтального участка пояса к вертикальному с изломом и двумя участками радиусом 25 мм сделали одно радиусное сопряжение радиусом 1380 мм. Толщина пояса на этом участке была увеличена с 12 мм до 20 мм.
Для обеспечения провозного габарита и технологичности конструкции стыки были перенесены на горизонтальный участок и выполнены на высокопрочных болтах (Рис. 21).
Рис. 21. Вид новых опор
Для повышения технологичности при изготовлении и монтаже шарниры соединения опоры с балансирами изменены. Вместо прежней конструкции шарнира (см. Рис. 22) применена принципиально иная, указанная на Рис. 23.
Рис. 22. Соединение опоры с балансиром 1 ■ - MU
Рис. 23. Соединение опоры с балансиром
Таким образом, обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию причальных перегружателей возможно в случае изготовления и замены крупногабаритных узлов с помощью внесения конструктивных изменений в оригинальные конструкции
Список литературы:
[1] Александров М.П. Подъёмно-транспортные машины/М.П. Александров. - М.: Высш. шк., 1985. - 520 с.
[2] Гохберг М.М. Справочник по кранам/М.М. Гохберг.- Д.: Машиностроение, 1988.-Т.1-336 с., Т.2-559 с.
[3] Кузьмин А. В., Марон Ф. Л. Справочник по расчётам механизмов подъёмно--транспортных машин/А.В. Кузьмин. -М.:Высш. шк., 1983. - 350 с.
[4] Дукельский А.И. Портовые грузоподъемные машины/А.И. Дукельский- М.: Транспорт, 1970. - 438 с.
[5] Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя/ И.Н. Жесткова - М.: 2006, -928 с.
[6] Соколов С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин/ С.А. Соколов -Л.: 2005.- 423 с.
[7] Оценка напряженно-деформированного состояния и усталостной долговечности металлоконструкции плавучего крана КПЛ 16-30 по его фактической эксплутационной нагруженности Яблоков А.С., Волков А.И., Шишулин Д.Н. Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. 2017. №52. С. 56-70.
[8] Оценка ресурса плавучего крана КПЛ-16-30 на основе анализа повреждений его металлоконструкций Яблоков А.С. Речной транспорт (XXI век) https://eHbrary.ru/contents.asp?id= 34840217. 2018. №1 (85). С. 50-54.
[9] Chaboche, J.L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation / J.L. Chaboche // Journal Engineering Design. - 1981. - vol. 64. - P. 233-247.
[10] Chaboche J. L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation // Engineering Design. 1981. vol. 64. р. 233-247.
[11] Yablokov A.S. The method of reconstruction of the drive mechanism for lifting floating crane bucket based on an assessment of durability metal floating crane // News of science and Education. -2014. - №21. - p. 70-75.
[12] Yablokov A.S. The method of reconstruction of the drive mechanism for lifting floating crane // Perspektywiczne opracowania sa nauka I technikami, Techniczne nauki. - 2014. - №19. - p. 42-47.
[13] Modeling Dynamic Deformation And Failure Of Thin-Walled Structures Under Explosive Loading Volkov I., Igumnov L., Litvinchuk S., Vorobtsov I. // EPJ Web of Conferences 12. Сер. «DYMAT 2018 - 12th International Conference on the Mechanical and Physical Behaviour of Materials under Dynamic Loading» 2018. С. 03-16.
[14] On The Issue Of Determining Parameters In Models And Criteria Of Dynamic Spallation Fracture Volkov I.A., Igumnov L.A., Ipatov A.A., Vorobtsov I.V. В сборнике: Procedia Engineering 23rd. 2017. С. 244-251.
[15] A Damaged Medium Model For Describing Dynamic Spallation Fracture Volkov I.A., Vorobtsov I.V., Igumnov L.A., Markov I.P., Litvinchuk S.Y.: Procedia Engineering 23rd. 2017. С. 252-259.
[16] Model Of The Damaged Medium For The Assessment Of Resource Characteristics Of Structural Alloys For Degradation Mechanisms That Combine Fatigue And Creep Of Material Volkov I., Vorobtsov I., Igumnov L., Ipatov A. Solid State Phenomena. 2017. Т. 258 SSP. С. 194-197.
THE STRESSED-DEFORMED STATE ASSESSMENT OF THE MOORING LOADING CRANE TO DETERMINE THE POSSIBILITY OF THE LIFTING FACILITY, THAT HAS WORKED OUT THE NORMATIVE TIME, ON THE BASIS OF THE DAMAGED METAL CONSTRUCTION STATE ASSESEMENT
Yablokov Alexander S., Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Hoisting-and-Conveyor Machines and Mechanical Repair, Volga State University of Water Transport, e-mail: pmptmvgavt@yandex.ru
Zamyatin Andrei V., Master, Volga State University of Water Transport Nikitaev Igor V., Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Hoisting-and-Transport Machines and Mechanical Repair, Volga State University of Water Transport
Khvostov Roman S., Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Navigation, Volga State University of Water Transport, e-mail: pmptmvgavt@yandex.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Volga State University of Water Transport» 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951
Keywords: mooring loading crane, deformation of a metal construction, stress-deformed state, stress concentration, safety factor, safe operation.
Annotation. This article discusses the possibility of operating the mooring loaders KK-26.0-33-10.65-17.5-17.5, manufactured by Kranbau Eberswalde GmbH, operated on the Joint-stock company «Volga» forest exchange. The main problem in the operation of these cranes is the cracks in the diaphragms of the metalwork turning into the base metal of the supports uprights. These cracks occur due to the structure of the metalwork, namely the hinged joint of the supports on the front and rear sides. The used construction leads to the occurrence of an additional bending moment with alternating loads caused by starting overloads with an unsteady motion of the material handler. These defects can be determined by technical diagnostics, which is part of a full and partial technical examination of the lifting structure, as
well as by assessing the state of metal structures by non-destructive testing methods when performing industrial safety expertise of a hazardous production facility. The article analyzes the causes of the cracks and defects in the metalwork of the mooring loading crane occurrence and determines the ways of their further occurrence.
References:
[1] Alexandrov M.P. Pod'emno-transportnHye mashiny / M. P. Alexandrov.- М.: Vysh. shk., 1985.520 с.
[2] Gohberg М.М. Spravochnik po kranam/М.М. Gohberg.- D.: Mashinostroenie, 1988.-Т.1-336 с., Т.2-559 с.
[3] Kusi'min А. V., Maron F. L. Spravochnik po raschetam mehanismov pod'emno-transportnyh mashin/A.V. Kusi'min.- M.: Vysh. shk., 1983. - 350 с.
[4] Dukel'skij A.I. Portovye grusopodemnye mashiny /А. I. Dukel'skij - M.: Transport, 1970. - 438 с.
[5] Anurjev V.I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelja / I.N. Zhestkova- M.: 2006, - 928 с.
[6] Sokolov S.A. Metallicheskie konstrukzii pod»emno-transportnyh mashin/ S.A. Sokolov -L.: 2005.423 с.
[7] Otsenka napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya i ustalostnoy dolgovechnosti metallo-konstruktsii plavuchego krana KPL 16-30 po ego fakticheskoy eksplutatsionnoy nagruzhennosti Yablokov A.S., Volkov A.I., Shishulin D.N. Vestnik Volzhskoy gosudarstvennoy akademii vodnogo transporta. 2017. № 52. С. 56-70.
[8] Otsenka resursa plavuchego krana KPL-16-30 na osnove analiza povrezhdeniy ego metallokonstruktsiy Yablokov A.S. Rechnoy transport (XXI vek). 2018. № 1 (85). С. 50-54.
[9] Chaboche J.L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation / J.L. Chaboche // Journal Engineering Design. - 1981. - vol. 64. - P. 233-247.
[10] Chaboche J.L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation // Engineering Design. 1981. vol. 64. р. 233-247.
[11] Yablokov A.S. The method of reconstruction of the drive mechanism for lifting floating crane bucket based on an assessment of durability metal floating crane // News of science and Education. -2014. - №21. - p. 70-75.
[12] Yablokov A.S. The method of reconstruction of the drive mechanism for lifting floating crane // Perspektywiczne opracowania sa nauka I technikami, Techniczne nauki. - 2014. - №19. - p. 42-47.
[13] Modeling Dynamic Deformation And Failure Of Thin-Walled Structures Under Explosive Loading Volkov I., Igumnov L., Litvinchuk S., Vorobtsov I. // EPJ Web of Conferences 12. Сер. «DYMAT 2018 - 12th International Conference on the Mechanical and Physical Behaviour of Materials under Dynamic Loading» 2018. С. 03-16.
[14] On The Issue Of Determining Parameters In Models And Criteria Of Dynamic Spallation Fracture Volkov I.A., Igumnov L.A., Ipatov A.A., Vorobtsov I.V. В сборнике: Procedia Engineering 23rd. 2017. С. 244-251.
[15] A Damaged Medium Model For Describing Dynamic Spallation Fracture Volkov I.A., Vorobtsov I.V., Igumnov L.A., Markov I.P., Litvinchuk S.Y.: Procedia Engineering 23rd. 2017. С. 252-259.
[16] Model Of The Damaged Medium For The Assessment Of Resource Characteristics Of Structural Alloys For Degradation Mechanisms That Combine Fatigue And Creep Of Material Volkov I., Vorobtsov I., Igumnov L., Ipatov A. Solid State Phenomena. 2017. T. 258 SSP. С. 194-197.
Статья поступила в редакцию 15.04.2019 г.
