CC BY
1
Астахова Лариса Васильевна, старший преподаватель, astahova@bmstu. ru, Россия, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана
DESIGN OF MULTILAYER HULL COMPOSITE STRUCTURES M. V. Astakhov, E.V. Slavkina, L. V. Astakhova
The main reasons for the low service life of body metal elements are given. The prospects for using structures made ofpolymer composite materials due to their corrosion resistance are noted. The disadvantages of composite structures have been identified - low strength under impact. It is proposed to use a multilayer sandwich panel containing a layer of non-Newtonian liquid - polysilicon, capable of absorbing impact energy. The results of tests of composite samples for impact strength are presented, where the best results were observed in the group containing polysilicon in large cells. A method is proposed for calculating the size of cells for filling with polysilicon, supported on an elastic base, depending on the applied load.
Key words: polymer composite material, corrosion resistance, impact resistance.
Astakhov Mikhail Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, mvastahov@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Slavkina Ekaterina Viktorovna, senior lecturer, slavkina@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Astakhova Larisa Vasilievna, senior lecturer, astahova@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch)
УДК 621.86
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-306-307
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ УНИФИКАЦИЯ КОЛЕС МОСТОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРАНОВ
П.В. Витчук, Е.В. Славкина, В.В. Зезюля, А.А. Карпов
Приведены основные причины низкого эксплуатационного ресурса ходовых колес механизмов передвижения грузоподъемных кранов. Отмечено влияние геометрических параметров ходовых колес на их массу. Из одиннадцати типоразмеров ходовых колес, применяемых в мостовых кранах грузоподъемностью от 5 до 50/12,5 т, выявлены имеющие избыточный запас прочности по контактным напряжениям. Предложено введение параметрической унификации ходовых колес, которая может быть достигнута на основе увеличения перечня исполнений кранов, в составе которых будут использованы только колеса четырех наиболее распространенных диаметров - 250, 400, 500 и 630 мм. Проведены сравнительный анализ и оценка эффективности применения рекомендуемых диаметров колес по сравнению с существующими.
Ключевые слова: ходовое колесо, мостовой кран, параметрическая унификация.
Эффективность использования грузоподъемной машины напрямую связана с выработкой номинального ресурса ее узлов. Несмотря на ежегодные совершенствования конструкций кранов, в настоящее время наблюдаются многочисленные отказы механизмов передвижения.
Согласно опыту эксплуатации грузоподъемных кранов [1], одной из распространенных причин отказов является износ ходовых колес. Многолетние исследования, проводимые ВНИИПТМАШ [2], указывают на их низкий эксплуатационный ресурс по сравнению с теоретически расчетными значениями. Это подтверждается данными, представленными в работах [3-5]. Например, фактический средний срок службы ходовых колес мостовых кранов составляет от 4 до 10 месяцев, тогда как расчетный срок службы должен составлять от 4 до 12 лет в зависимости от режима работы механизма и машинного времени работы в часах. Низкая долговечность ходовых колес более, чем в 90 % случаях, обусловлена износом реборд [5-8]. Это приводит к увеличению временных и экономических затрат, связанных с ремонтными работами, которые могут достигать до 12 % общего времени простоев крана.
В настоящее время заводы выпускают мостовые электрические краны в 45 исполнениях, ожидается увеличение номенклатуры на основе расширения рядов грузоподъемности. В составе этих кранов используют колеса одиннадцати различных диаметров по ГОСТ 28648 - 90 «Колеса крановые». Геометрические параметры колес напрямую влияют на их массу, а значит и стоимость.
Поскольку, как ранее отмечалось, в подавляющем большинстве случаев износ крановых ходовых колес происходит не по поверхности качения, а по ребордам, то применение большой номенклатуры диаметров колес не является целесообразным. Актуальной является унификация колес мостовых электрических кранов грузоподъёмностью от 5 до 50/12,5 т, которая может быть достигнута путем увеличения перечня исполнений кранов, в составе которых будут использованы только колеса четырех наиболее распространенных диаметров - 250, 400, 500 и 630 мм.
Идея параметрической унификации, впервые сформулированная Н.М. Колпаковым в работе [9], базируется на проверке соответствия колес с определённым значением диаметра заданному сроку службы и напряжению контакта обода колеса с рельсом. Параметры колеса должны удовлетворять системе неравенств:
306
К О Фм 1 (1)
\Тмаш (О) — Тмаш.
где <М (О) - напряжение колеса с определенным значением диаметра О , МПа; [<<м ] - допускаемое напряжение
колеса, МПа; ТМаш (П) - машинное время работы колеса за срок его службы с определенным значением диаметра, ч; Тмаш - заданное при проектировании машинное время работы колеса за срок его службы, ч.
Значения Тмаш , обеспечивающие средний срок службы колес по ГОСТ 3569-74, использовались в соответствии с отраслевым стандартом СТ СЭВ 2077-80 в следующем виде:
- Тмаш = 1600 ч - для группы режима работы механизмов 1М и 2М по ГОСТ 25835-83;
- Тмаш = 3200 ч - для группы режима работы механизмов 3М и 4М по ГОСТ 25835-83;
- Тмаш = 12500 ч - для группы режима работы механизмов 5М и 6М по ГОСТ 25835-83.
Согласно ОСТ 24.090.44 - 82 «Колеса крановые. Выбор и расчёт» величина напряжения в колесе диаметром О вычисляется в зависимости от максимальной статической нагрузки с учетом коэффициентов, учитывающих параметры колеса:
аМ (О) = 7500 • к • кг ^^ (2)
где к - коэффициент, зависящий от отношения радиуса закругления головки рельса г к диаметру колеса; к^ - коэффициент, учитывающий влияние касательной нагрузки на напряжения в контакте; кц - коэффициент динамичности пары колесо - рельс; Р - максимальная статическая нагрузка, кН.
Допускаемое напряжение на колесо определяется на основании допускаемого напряжения [<0 ] за базовое
число циклов N0 = 104 в зависимости от приведенного числа оборотов колеса за срок службы N :
104
- = Ь (3)
Для проведения вычислений разработана и реализована программа в среде LabView, позволяющая рассчитывать требуемый диаметр колеса крана. Лицевая (Front) - панель программы представлена на рис. 1.
Рис. 1. Лицевая (Front) - панель программы
Исходными данными, используемыми в программе, являются: величина пролета крана, выбранная из основного ряда стандартных длин; массы крана, тележки и груза; скорость передвижения тележки; расстояние, пройденное колесом (пробег); группа режима работы.
Расчет базируется на использовании наиболее распространенных колес, применяемых в механизмах передвижения. Материал колес - сталь 65Г, вид заготовки - поковка, твердость по Бринеллю HB 350, допускаемые напряжения 850 МПа, укладка рельсов - на металлических балках.
В табл. 1 представлены типоразмеры колес мостовых кранов, используемых в настоящее время предприятиями отрасли. Значение в числителе соответствуют диаметру колеса для четырёх колесного крана, в знаменателе -для восьми колесного крана. На основании зависимостей, представленных в формулах (1-3), выполнена проверка используемых диаметров ходовых колес. В результате расчета, были выявлены их типоразмеры, имеющие избыточный запас прочности по контактному напряжению, что свидетельствует о возможности уменьшения геометрический параметров для этих вариантов.
Таблица 1
Применяемые в настоящее время диаметры ходовых колес, мм___
^ ^^^^Грузоподъемность, т Пролет, м 5 8 10 12,5 16 16/ 3,2 20/5 32/5 50/ 12,5
10,5 320/200 320/250 400/250 400/320 400/320 400/320 500/400 630/400 800/500
16,5 320/200 400/250 400/320 400/320 400/320 500/400 500/400 630/400 800/560
22,5 320/250 400/250 400/320 400/320 400/320 500/400 500/400 630/400 900/560
28,5 400/250 400/250 400/320 400/400 500/400 500/400 560/400 710/500 900/630
34,5 400/320 400/320 400/320 400/400 500/400 500/400 630/400 710/500 900/630
Предлагается заменить ходовые колеса, имеющие избыточный запас прочности, на подходящие по расчету колеса следующих четырех наиболее распространенных диаметров - 250, 400, 500 и 630 мм. В табл. 2 представлены результаты такого расчета. В случае, если колеса не соответствовали условиям (1)-(3), предложено использовать сдвоенные колеса меньшего диаметра (выделено полужирным шрифтом).
Таблица 2
Рекомендуемые к использованию диаметры ходовых колес, мм___
-■—■-.^^^Грузоподъемность, т Пролет, м —--__ 5 8 10 12,5 16 16/ 3,2 20/5 32/5 50/ 12,5
10,5 320 320 2х 250 400 400 400 500 2х 400 2х 500
16,5 320 2х 250 400 400 400 500 500 2х 400 2х 630
22,5 320 2х 250 400 400 400 500 500 2х 400 2х 630
28,5 320 2х 250 400 400 500 500 2х 400 2х 500 2х 630
34,5 400 400 400 400 500 500 2х 400 2х 500 2х 630
Анализ полученных результатов для мостовых электрических кранов свидетельствует об имеющимся избыточном запасе прочности для большинства применяемых типоразмеров колес. С учетом данных, указывающих на их низкий эксплуатационный ресурс по причине износа реборд, целесообразно проведение унификации. Таким образом, в 16 исполнениях кранов возможно провести параметрическую унификацию с использованием ходовых колес только четырех типоразмеров.
Для анализа эффективности предлагаемой унификации предлагается выполнить оценку металлоемкости применяемых и рекомендуемых ходовых колес:
Мук = £ (kMn - zMp )= £ (4Mп - 8Мр), (4)
i=1 i=1
где Мук - экономия металла от унификации колес, кг; Мп - масса применяемых ходовых колес, кг; Мр - масса рекомендуемых ходовых колес, кг; i - количество исполнений; k = 4 - количество колес крана без унификации; z = 8 - количество колес крана при унификации.
Сокращение расхода металла при замене существующей номенклатуры колес рекомендуемой составит 6920 кг. Используя известную величину стоимости стали 65Г на текущий момент [10], экономия составит:
Эук = Ц • Мук = 78• 6920 = 539760 руб., (5)
где Ц = 78 руб./кг - цена стали 65Г.
Однако стоит учесть, что экономия будет не только за счет уменьшения металлоемкости колес, но и за счёт изменения типоразмера букс, подшипников, направляющих, унификации станочных приспособлений.
Например, для мостового крана грузоподъемностью 50/12,5 т, пролетом 16,5 м [11] экономия приблизительно составит:
Э = кЦп - z^ = 4 • 245000 - 8 • 95500 = 216 тыс. руб., (6)
где Э - экономия, тыс. руб.; Цп - цена применяемых ходовых колес, тыс. руб.; Цр - цена рекомендуемых ходовых
колес, тыс. руб.; к = 4 - количество колес крана без унификации; z = 8 - количество колес крана после унификации.
Таким образом, при замене существующей номенклатуры ходовых колес на рекомендуемую номенклатуру будет получен значительный выигрыш по металлоемкости, что наглядно доказывает эффективность параметрической унификации ходовых колес.
Список литературы
1. Глушко М.Ф., Сухемлин М.И. Снижение износа ходовых колес металлургических мостовых кранов. // Труды ВНИИПТМАШ, 1970. Вып. 1 (96). С. 216-227.
2. Исследование гамма-процентных ресурсов элементов крановых механизмов: Отчет / Рук. работы И.О. Спицина. Инв. №626288. М.: ВНИИПТМАШ, 1977. 110 с.
3. Исследование металлоконструкций и механизмов мостовых кранов, разработка и внедрение мероприятий по сокращению сроков и улучшению качества их капитального ремонта: Отчет / Рук. работы В.В. Длоугий. Инв. №5856235. Л.: ЛИИЖТ, 1979. 54 с.
4. Разработка и внедрение мероприятий, повышающих срок службы ходовых колес кранов: Отчет / Рук. работы И.А. Рагулин. Инв. №0283.0052092. Краматорск: НИИПТмаш, 1983. 28 с.
5. Лобов Н.А. Разработка основ динамики передвижения кранов по рельсовому пути и методов повышения ресурса работы крановой системы: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2005. 293 с.
6. Юрин А.Н. Разработка методов расчета боковых сил, действующих на ходовые колеса мостовых кранов: дис. ... канд. техн. наук. М., 2019. 150 с.
7. Витчук П.В., Шубин А.А., Анцев В.Ю., Крылов К.Ю. Прогнозирование долговечности крановых ходовых колес с учетом отклонений крановых путей от проектного положения // Подъемно-транспортное дело, 2019. № 5(98). С. 7-12.
8. Анцев В.Ю., Витчук П.В., Крылов К.Ю. Классификация дефектов и отказов грузоподъемных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 10. С. 121-128.
9. Колпаков Н.М. Параметрическая унификация колес мостовых электрических кранов // Сб. науч. трудов ВНИИПТМАШ «Исследования в области краностроения». М.: ВНИИПМАШ, 1986. С. 116-119.
10. Атис-сталь [Электронный ресурс] URL: https://www.atissteel.ru/konstrukcionnaia-stal/pruzhinno-ressornaja-stal/stal-65g/#:~:text=78%20%D1%80%D1%83%D0%B1.&text=60.48-
.%D0%A6%D0%B5%D0%BD%D0%B0%20*%2C%20%D1%80%D1%83%D0%B1.%2F%D0%BA%D0%B3..78%20%D 1%80%D1%83%D0%B1. (дата обращения: 11.03.2024).
11. Цены на колеса крановые двухребордные [Электронный ресурс] URL: https://m-40.ru/cena kolesa.php?ysclid=ltfnbs63vm240580426 (дата обращения: 25.03.2024).
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доцент, vitchuk@bmstu. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного университета им. Н.Э.Баумана,
Славкина Екатерина Викторовна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного университета им. Н.Э.Баумана,
Зезюля Валерий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного университета им. Н.Э.Баумана,
Карпов Алексей Алексеевич, студент, karpovaa@student. bmstu. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного университета им. Н.Э.Баумана
PARAMETRIC UNIFICATION OF WHEELS OF ELECTRIC OVERHEAD CRANES P.V. Vitchuk, E. V. Slavkina, V. V. Zezyulya, A.A. Karpov
The main reasons for the low service life of the running wheels of the movement mechanisms of cranes are given. The influence of the geometric parameters of running wheels on their mass is noted. Of the eleven standard sizes of running wheels used in overhead cranes with a lifting capacity from 5 to 50/12.5 tons, those with an excess safety margin for contact stresses were identified. It is proposed to introduce parametric unification of running wheels, which can be achieved by increasing the list of crane designs, which will use only wheels of the four most common diameters - 250, 400, 500 and 630 mm. A comparative analysis and evaluation of the effectiveness of using recommended wheel diameters in comparison with existing ones was carried out.
Key words: running wheel, overhead crane, parametric unification.
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, vitchuk@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Slavkina Ekaterina Viktorovna, senior lecturer, slavkina@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Zezyulya Valery Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Karpov Alexey Alekseevich, student, karpovaa@student. bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch)
