Компании в категории: Краны, подъемники (57)

Назначение и условия работы кранов и подъемных устройств

Применение сварки в изготовлении кранов и подъемно-транспортных машин (ПТМ) привело к заметному изменению геометрических форм конструкций, созданию новых методов расчета как конструкций в целом, так и отдельных сварных элементов и узлов. Широко внедряются конструкции коробчатого, оболочкового и сложных сечений, составленные из листовых элементов. Они оказываются часто экономичнее решетчатых и проще в изготовлении. В решетчатых конструкциях используют замкнутые трубчатые, в том числе гнутые сварные профили, вместо традиционных прокатных швеллеров и углового профиля. Несмотря на многообразие видов подъемно-транспортных машин, работа их металлических конструкций имеет много общего. Это позволяет использовать единые принципы расчета, проектирования и оценки прочности элементов и соединений. Опыт эксплуатации крановых сварных металлоконструкций показывает, что определяющим фактором, от которого зависит их надежность, является выносливость.

Исходным моментом для расчета и проектирования конструкции ПТМ является режим работы. Применительно к кранам различают легкий - Л, средний - С, тяжелый - Т и весьма тяжелый - ВТ режимы. В некоторых странах используют деление на три группы - Л, С и Т. Режимы работы грузоподъемных машин устанавливаются в зависимости от следующих факторов:

- годового и суточного использования крана, т. е. отношения действительного времени его эксплуатации к общему времени существования машины;

- использования металлоконструкций по грузоподъемности, оцениваемого отношением средней массы поднимаемого груза к номинальной грузоподъемности;

- температуры окружающей среды и условий эксплуатации. Минимальный срок эксплуатации определяют обычно максимально возможным количеством циклов работы металлоконструкций в номинальном режиме нагружения. Чем интенсивнее используется металлоконструкция, тем короче общая продолжительность ее жизни и тем тяжелее считается режим работы.

Легкий режим характерен в основном для монтажных кранов, которые часто используют несколько раз в течение рабочего дня. Для большинства сварных металлоконструкций предельное количество циклов нагружения в номинальном режиме принимают 2-2,2 млн. циклов. Поэтому, если монтажный кран используют для подъема грузов в среднем 10 раз в течение смены, то при 250 рабочих днях в году предельное количество циклов нагружения будет достигнуто через 800 лет. Средний режим работы характерен для ПТМ, работающих с регулярными перерывами в цехах машиностроительных заводов, на строительных площадках и т. д. Предельное число нагружений достигается через 30-40 лет.

При тяжелом и весьма тяжелом режимах загрузка почти непрерывная и предельное число циклов в номинальном режиме работы может быть достигнуто в течение 15-20 лет, таким образом при изготовлении подъемного устройства на крановом заводе необходимо учитывать будущую нагрузку на механизм.

Однако режим работы металлоконструкций зависит не только от того, насколько быстро будет достигнуто предельное число циклов нагружения, но и от того, какова средняя загрузка металлоконструкции по сравнению с номинальной расчетной величиной. В зависимости от типа машины, ее назначения, условий эксплуатации могут быть различными законы изменения массы грузов в течение всего срока работы машины. Эти данные устанавливают лишь на основе детального статистического анализа и используют при расчете конструкции на усталость. Согласно правилам расчета, составленным Европейской Федерацией по погрузочно-разгрузочным машинам установлено относительное к номинальному количеству грузов для различных режимов работы ПТМ.

Влияние температуры учитывают, как правило, путем снижения допускаемых напряжений.

При проектировании металлоконструкций большое значение имеет учет динамики их работы в колебательном режиме. Колебания конструкции могут возникать при резком приложении нагрузок в процессе подъема и опускания грузов, при торможении и т. д. В зависимости от жесткости конструкций и частоты собственных колебаний, а также от характера приложения нагрузок может меняться величина перегрузки в процессе динамического нагружения.

Отношение максимальных перемещений, усилий или вызываемых ими напряжений, возникающих в конструкциях в результате динамического действия сил, к перемещениям, усилиям или напряжениям, возникающим от статического приложения этих же сил, называют динамическим коэффициентом.

При линейном нарастании нагрузки в течение времени t от 0 до некоторой величины Q динамический коэффициент можно определять по графику.

Выбор материалов для кранов и подъемных конструкций

При выборе материала для металлоконструкции на заводе кранов руководствуются следующими основными требованиями:

- обеспечение необходимой прочности и жесткости при наименьших затратах на изготовление с учетом максимальной экономии металла;

- гарантированное условие хорошей свариваемости при минимальном разупрочнении и снижении пластичности в зонах сварных соединений;

- обеспечение надежности эксплуатации конструкций при заданных статических, усталостных и динамических нагрузках, агрессивных средах и переменных температурах.

В металлоконструкциях ПТМ применяют мартеновские прокатные углеродистые и низколегированные стали.

Наиболее распространенными в ПТМ среди углеродистых сталей являются Ст3, Ст3кп, М16С, поставляемые с гарантированным химическим составом и механическими свойствами, согласно ГОСТ 380-71, сограничением содержания углерода, серы и фосфора (в соответствии с п. 13 табл. 2 ГОСТ 6713-53). Эти стали, за исключением кипящей Ст3кп, применяют для несущих элементов металлоконструкций. Кипящую сталь Ст3кп не рекомендуется применять для рабочих элементов в конструкциях, работающих при температурах ниже -20° С. Ограничение по С, S и Р связано с гарантией удовлетворительной свариваемости и обеспечения пластичности материала при пониженных температурах. Наиболее полно этим условиям отвечает сталь М16С (не более 0,2% С, 0,045% S и 0,05% Р).

Для конструкций большой грузоподъемности могут быть применены низколегированные стали 10ХСНД, 10Г2СД, 15ХСНД, 09Г2С и ряд других. Основными преимуществами низколегированных сталей являются повышенная стойкость против коррозии, меньшая чувствительность к хрупким разрушениям, недостатками - высокая стоимость, повышенная чувствительность к концентрации напряжений и к потере устойчивости у стержней и пластин. При выборе конструкционных материалов руководствуются, как правило, конструктивными и технологическими соображениями, учитывают степень ответственности конструкции и условия ее эксплуатации. В литературе, за исключением отдельных работ, нет строгих рекомендаций по выбору материала.

Наибольшие толщины элементов для конструкций из низкоуглеродистых сталей не должны превышать 50 мм, низколегированных - 40 мм. Наиболее широко в конструкциях ПТМ используют в качестве соединительных элементов угловые профили. Значительно реже - швеллеры и двутавры. Наилучшим типом сечения для элементов, работающих на сжатие, являются трубы. Предпочтительнее применять трубы больших диаметров с меньшей толщиной стенки, имеющие при одинаковой площади сечения большие радиусы инерции. Широкие возможности имеются и в части использования гнутых профилей из листовой и полосовой стали, получаемых на ролико-гибочных стендах. Из таких профилей на заводе кранов могут быть образованы сварные замкнутые сечения самой различной конфигурации.

Основной расчетной характеристикой материала является σ_т - предел текучести. Для определения усталостных характеристик необходимо знание предела прочности при растяжении σ_в. Предел усталости эмпирически установлен при симметричном цикле: при растяжении - сжатии σ^р_-1 = 0,36 σ_в, при изгибе σ^и_-1 = 0,34σ_в, при кручении т_-1= 0,22σ_в. Это ориентировочные зависимости, вычисленные на основании обработки обширного экспериментального материала испытаний элементов из углеродистых и низкоуглеродистых сталей.

Для некоторых специальных конструкций применяют высокопрочные стали и сплавы алюминия. Целесообразность использования этих материалов зависит от грузоподъемности и назначения конструкции. ВНИИПТМАШ считает, что при грузоподъемностях свыше 125 т применение углеродистых сталей экономически нецелесообразно, а при изготовлении нестационарных конструкций до 5-10 т большими преимуществами обладают сплавы алюминия, хотя конечно, при выборе материала в конечном счете инженеры исходят из текущей ситуации на заводе кранов.

Конструктивное оформление металлоконструкций ПТМ сводится к многообразным комбинациям из профильных и листовых элементов, т. е. решетчатым и балочным конструкциям. Выбор основных несущих сечений может быть самым различным в зависимости от назначения, действующих нагрузок, режимов и условий работы. Для балочных конструкций их составляют из сваренных между собой листовых элементов, для решетчатых, как правило, - из прокатных профилей или труб.

Применение решетчатых конструкций целесообразно для больших и очень малых пролетов мостов, стрел и колонн башенных и молотовидных кранов.Основные системы применяемых решеток приведены на картинке справа. Системы показанные под пунктами а-г используют для вертикальных, а д-ж для изготовления горизонтальных ферм, а систему г применяют для консолей, причем наиболее рациональный угол наклона в решетках 45%.

По ряду технологических и экспериментальных соображений в последние годы увеличивается объем производства листовых крановых сварных конструкций. По сравнению с решетчатыми они проще в изготовлении, лучше работают в условиях переменных нагрузок. В большинстве элементов решетчатых ферм перемещение грузов вызывает перемену знака напряжения. В балочных конструкциях вне зависимости от положения груза изменения знака рабочих напряжений в конкретных рассматриваемых точках или сечениях не происходит. Наиболее распространены мосты коробчатого сечения, которые обладают достаточно высокой горизонтальной жесткостью и не требуют ферм связи.

Конструкции, сваренные из листового проката, обладают значительной простотой и эстетичностью. Однако при небольших пролетах и грузоподъемностях или сверхбольших пролетах (50 м и более) материал сплошного коробчатого сечения используется плохо и конструкция излишне утяжеляется. В мировой практике краностроения известны случаи изготовления металлоконструкций большой грузоподъемности с рабочим радиусом до 200 м (без перемещения основания). Вполне естественно, что для такого рода конструкций, как правило стреловых, большие сечения нецелесообразны из-за значительного увеличения собственной массы. Стрелу экскаватора «Big Muskie» грузоподъемностью 320 т, длиной ~ 100 мм наиболее экономично оказалось изготовить из труб высокопрочной стали. Многие погрузочные краны, применяемые в портах, и плавучие краны, используемые для подъема затонувших судов грузоподъемностью 500-1000 т, наоборот, более рационально изготовлять из стальных балочных элементов, учитывая их обычно незначительную величину вылета консольных частей и большую грузоподъемность.

Широко применяют и комбинированные схемы несущих сечений, когда в направлении основной нагрузки рабочими элементами являются сварные балки, а поперечную жесткость обеспечивают профильные соединительные элементы. Поэтому на первом этапе проектирования необходимо четко установить общую конструктивную схему металлоконструкции машины, а затем уже переходить к определению основных параметров нагрузки отдельных элементов конструкции и выбору их сечений.

Размеры отдельных сечений и общая конфигурация элементов ферм зависят от характера действующих нагрузок и их величины в наиболее неблагоприятных условиях нагружения. При этом учитывают все три вида нагрузок - статические, переменные и динамические. Возможны два пути принципиального построения общего расчета конструкции. Первый - это определение общих одинаковых для всей конструкции коэффициентов условий работы, учитывающих влияние динамических и переменных нагрузок. В этом случае расчетные эпюры изменяются пропорционально определенным из условий статического нагружения и расчет производят так же, как принято при статических нагрузках.

Этот путь расчета характерен для балочных конструкций. Например, если требуется определить сочетание расчетных усилий при проектировании погрузочного крана грузоподъемностью 600 т, то сначала строят эпюры моментов, исходя из статической нагрузки, а затем увеличивают их пропорционально в каждом сечении путем умножения на динамический коэффициент ф и умножения на коэффициент условий работы.

Правильность определения рабочих сечений элементов и сварных швов определяется главным образом точностью определения коэффициентов, учитывающих условия работы конструкции.

Второй путь построения расчетов применяют обычно для решетчатых конструкций. Здесь работу отдельных элементов рассматривают дифференцированно и вводят не коэффициенты корректировки эпюр нагружения конструкции, а коэффициенты изменения допускаемых напряжений, зависящие от вида нагружения, его цикличности, величины максимальных и минимальных напряжений, характерных для каждого из составляющих элементов конструкции.

Учитывая, что расчеты на статическую нагрузку и выносливость достаточно подробно освещены в литературе, остановимся подробнее на динамических расчетах.

Опытами на крановом заводе установлено, что по сравнению с перемещениями узлов самой фермы амплитуда колебаний отдельных стержней настолько мала, что ее можно не учитывать. Для определения частот колебаний фермы целесообразно заменять решетчатую систему эквивалентной ей балкой сплошного постоянного сечения. Под эквивалентными системами понимают системы одинаковой жесткости, характеризуемые равенством в каком-либо сечении прогиба от равномерно распределенной нагрузки. Поэтому момент инерции эквивалентной балки может быть получен из равенства прогибов сплошной балки и фермы, несущих одинаковую распределенную нагрузку.