Раздел 3
Раздел 3. Общие положения расчета гпм
7 |
КЛАССИФИКАЦИЯ НАГРУЗОК И СРОКИ СЛУЖБЫ ЭЛЕМЕНТОВ ГПМ |
|
8 |
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ГПМ |
|
Лекция 7.
КЛАССИФИКАЦИЯ НАГРУЗОК И СРОКИ СЛУЖБЫ ЭЛЕМЕНТОВ ГПМ
Во время эксплуатации кранов на механизмы и металлоконструкции действуют статические (весовые) и динамические (инерционные) нагрузки. Инерционные нагрузки возникают в периоды неустановившегося движения при разгоне и торможении, а также вследствие толчков и ударов. На краны, работающие на открытом воздухе, действуют кроме массы груза и конструкций ветровая нагрузка, масса снега и льда при гололеде. Краны, эксплуатирующиеся в районах возможных землетрясений, рассчитывают с учетом сейсмических нагрузок. При монтаже и перевозке кранов возникают специальные нагрузки, которые также должны быть учтены. Значения этих нагрузок принимают во внимание при разработке проекта монтажа крана, выборе мест расположения опор и крепления крана при его-транспортировании.
Статическая нагрузка учитывается при определении статической мощности двигателей и расчете механизмов. Влияние сил вредного сопротивления внутри последних учитывается коэффициентом полезного действия.
При пуске двигатель должен развивать момент, достаточный для преодоления не только статического, но и инерционного момента, выражающего влияние инерции вращающихся масс (ротора , двигателя, муфт, валов и т. д.) и поступательно движущейся массы груза, тележки с грузом или крана с грузом.
Во время работы механизма подъема наибольшее значение имеют инерционные нагрузки, возникающие при разгоне на подъеме груза и при торможении на опускании груза, так как в этих случаях силы инерции, направленные. в стороны, противоположные: ускорениям, увеличивают усилия в канатах полиспастов. Величины этих нагрузок во время подъема зависят от первоначального положения груза, так как разгон механизма может начаться либо при удержании груза на весу на натянутом канате, либо при подъеме груза с земли (подъем «с подхватом»), когда барабан приводится во вращение при ослабленном канате и происходит рывок.
Для двигателя механизма передвижения тележки или крана щ основной статической нагрузкой является сила сопротивления передвижению тележки или крана, выражающая суммарное влияние В сопротивления качению ходовых колес по рельсам, трения в подшипниках букс и трения реборд ходовых колес о головки рельсов, механизмах передвижения с безребордными ходовыми колесами вместо сопротивления трения реборд учитывается сопротивление качению горизонтальных роликов по рельсам или направляющим и сопротивление трения в подшипниках горизонтальных роликов.
При разгоне и торможении механизма передвижения тележки возникают горизонтальные инерционные силы, направленные вдоль оси моста, а при разгоне и торможении механизма передвижения крана — горизонтальные инерционные силы, направленные пер-лендикулярно оси моста. Величины этих сил ограничиваются силами сцепления приводных ходовых колес.
При передвижении крана по неровным путям (например, рельсам со стыками) кран испытывает вертикальные толчки, вызывающие вертикальные инерционные нагрузки, величина которых зависит от скорости передвижения крана и величины неровностей.
На значениях ускорений и замедлений соответственно, при пусках и торможениях механизма передвижения отражается раскачивание груза, вызываемое его гибким подвесом и зависящее от величины груза и длины подвеса: с увеличением массы груза и уменьшением длины подвеса это влияние увеличивается.
Величина инерционного момента, развиваемого двигателем, зависит от положения рассматриваемого звена относительно вала двигателя, так как по мере удаления от него уменьшаются угловые скорости вращающихся звеньев. Поэтому основное влияние на величину этого момента оказывают массы быстроходного вала механизма (в первую очередь массы ротора двигателя и муфты с тормозным шкивом).
Большое значение при работе механизмов имеют зазоры между их звеньями. При значительных зазорах и значительных скоростях относительных движений звеньев возможны их удары друг о друга, что приводит к дополнительному увеличению инерционных нагрузок.
Характер действия инерционных сил зависит от степени плавности нарастания движущей (избыточной) силы и определяется отношением времени нарастания силы к периоду собственных колебаний рассматриваемой системы или конструкции. Поэтому силы инерции, возникающие при ускорениях и замедлениях, могут быть приложены как динамически, так и статически. При резком нарастании инерционной силы возникают упругие колебания, вследствие чего инерционные нагрузки в пределе могут в 2 раза превышать соответствующие их статические значения.
Наибольшее упругое перемещение и соответствующая инерционная нагрузка могут быть достигнуты лишь при достаточной длительности действия движущей силы (5 перидов). Если же движущая сила действует кратковременно, то вызываемая ею нагрузка будет меньше статического значения этой силы. Следовательно, инерционная нагрузка может представлять собой колеблющуюся нагрузку, которая, постепенно затухая, может действовать еще после того как избыточная сила станет равной нулю.
Если при расчете деталей механизмов, испытывающих переменные по величине нагрузки, принимать в качестве расчетной величины максимальную нагрузку и считать ее действующей постоянно, то это вызовет неоправданное увеличение массы крана. Поэтому современные методы расчета деталей механизмов и металлических конструкций учитывают переменность действия нагрузок. Для этого при расчете на выносливость определяются эквивалентные нагрузки или эквивалентное число циклов нагружений.
Эквивалентной нагрузкой называется такая постоянная по величине нагрузка, которая по своему воздействию на рассматриваемую деталь (или элемент конструкции) в течение всего срока службы эквивалентна (равноценна) общему действию отдельных (различных по величине) нагрузок в течение времени их действия. В общем случае эквивалентные нагрузки определяют с помощью графиков загрузки механизма во времени, которые строятся с учетом действительных режимов работы механизмов.
Рис. 2.1. Графики загрузки механизмов
Достаточно точные графики загрузки механизмов могут быть построены лишь для кранов, совершающих определенные операции, в определенной последовательности и при определенной загрузке механизмов в разные периоды времени. Поэтому при расчете кранов общего назначения, предназначенных для работы в различных условиях эксплуатации, обычно принимают усредненные графики использования механизмов по грузоподъемности, построенные в результате обобщения опыта эксплуатации кранов и отражающие статистику наблюдений за работой подобных кранов.
На рис. 2.1 приведены типовые графики загрузки механизмов подъема (а), передвижения крана (б) и передвижения тележки (в). На графиках Qt и QH — соответственно переменная, действующая в течение времени tt, и номинальная нагрузки; р — общее время работы механизма в течение срока службы.
Расчет по эквивалентным нагрузкам представляет собой расчет на ограниченную долговечность, так как он основан на предположении, что перенапряжения, лежащие в зоне повреждаемости рассчитываемой детали, регулярно повторяются. В тех случаях, когда отсутствуют необходимые данные, эквивалентную нагрузку обычно определяют условно, путем умножения номинальной, наиболее часто действующей нагрузки на коэффициент приведения, значения которого устанавливают на основе данных практики, в зависимости от режима работы механизма.
Лекция 8.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ГПМ
Весь комплекс задач при выполнении расчетов решается в две стадии: 1) определение внешних нагрузок, действующих на рассчитываемые элементы машины; 2) расчет этих элементов на прочность, жесткость, устойчивость, долговечность, отсутствие пробуксовки и др. Некоторые вопросы определения нагрузок рассмотрены на прошлой лекции, изложены в пособии к КП.
При расчете крановых механизмов рассматривают три случая нагружения.
Нормальные нагрузки рабочего состояния действуют на кран при нормальных условиях его работы. Под такими условиями подразумевается работа крана с грузами, массы которых соответствуют технологическому процессу, для которого кран предназначен, при плавных пусках и торможении механизмов и при нормальном состоянии подкранового пути.
Вращающиеся детали, испытывающие циклические напряжения, рассчитывают на выносливость, давление ветра при этом не учитывается. При легком режиме работы детали, не участвующие во вращательном движении (крюки, неподвижные блоки и т. п.), имеют малые числа циклов нагружении, вследствие чего их рассчитывают только на прочность. При среднем и тяжелом режимах работы их следует рассчитывать на выносливость. На статическую прочность рассчитывают также некоторые вращающиеся детали (например, барабан), если в них при вращении не возникает циклических напряжений. Подшипники качения рассчитывают на срок службы.
Максимальные нагрузки рабочего состояния представляют собой предельные нагрузки, которые действуют на кран при работе в наиболее тяжелых условиях с номинальным грузом. Они возникают при максимальных статических, сопротивлениях, резких пусках и резком торможении, максимальной силе ветра в рабочем, состоянии, максимальном уклоне и неблагоприятном состоянии подкрановых путей.
Детали рассчитывают на прочность с учетом наиболее опасного, но все же возможного, с точки зрения теории и опыта эксплуатации кранов, сочетания различных нагрузок.
Максимальные нагрузки нерабочего состояния характеризуют нагружение крана без груза при соответствующем ветре. Такое нагружение относится лишь к кранам, работающим на открытом воздухе. По этим нагрузкам производят проверку деталей на прочность.
По значению (уровню) различают нормативные и эквивалентные нагрузки. Нормативными считают максимальные нагрузки. Эквивалентной называется нагрузка постоянного значения, действие которой за расчетное число циклов (или время нагружения) вызывает такие же повреждения элемента, что и фактически действующий спектр нагрузок.
Эквивалентные (равноценные) нагрузки определяют с помощью графиков загрузки механизмов во времени, которые строятся с учетом действительных режимов работы механизмов. Достаточно точные графики загрузки могут быть построены лишь для кранов, совершающих определенные операции в определенной последовательности и при определенной загрузке механизмов в разные периоды времени. Поэтому при расчете кранов общего назначения, планируемых для работы в различных условиях эксплуатации, обычно принимают усредненные графики использования механизмов по грузоподъемности, построенные в результате опыта эксплуатации кранов и отражающие статистику наблюдений за их работой.
Эквивалентная нагрузка
GЭКВ=kДGMAX
или MЭКВ=kДMMAX,
где GMAX и MMAX – максимальная расчетная нагрузка (сила или момент), учитываемая в расчете на сопротивление усталости по расчетному случаю 1; kД=kG·kТР, где kТР ‑ коэффициент долговечности; kG ‑ коэффициент, учитывающий переменность нагрузки во времени:
,
где m – показатель степени уравнений кривой усталости. При расчете на контактную усталость m=3, при расчете на усталость по изгибу, кручению, растяжению и сжатию m=9. Средние значения коэффициента переменности нагрузки для различных механизмов мостовых кранов общего назначения приведены в табл. 2.
Таблица 2 Значения коэффициента переменности нагрузки, kG |
||
Механизм |
M |
|
3 |
9 |
|
Подъема |
0,55 |
0,75 |
Передвижения тележки |
0,65 |
0,80 |
Передвижения моста |
0,60 |
0,75 |
Величины
Gi
и Ni
– соответственно текущая нагрузка и
число циклов ее действия, принимаемые
по графику фактического использования
механизма за расчетный срок службы; NР
– суммарное число циклов нагружения
за расчетный срок службы;
— коэффициент,
учитывающий срок службы детали; NO
– база испытаний (число циклов нагружения),
принимаемая по табл. 3.
Таблица 3 Значения базы испытаний |
||
Расчет |
Детали |
NO |
На изгиб или кручение |
Валы Зубья зубчатых колес Вал с напрессованной деталью Вал при поверхностном упрочнении |
4·106 4·106 107 5·106 |
По контактным напряжениям |
Зубья зубчатых колес |
107 |
Общие положения расчетов
Расчеты элементов механизмов выполняются в следующих случаях работы крана: 1 – кран в рабочем состоянии без учета ветровой нагрузки; 2 – кран в рабочем состоянии с учетом ветровой нагрузки; 3 – кран в рабочем состоянии с учетом особых нагрузок. В первом и втором случаях учитывают срок службы механизмов до списания крана или срок службы до капитального ремонта при нормальной эксплуатации. От указанных расчетных вариантов зависит выбор расчетных схем и условий нагружения механизмов, выбор расчетных нагрузок, а также виды предельных состояний и других показателей, определяющих несущую способность и работоспособность крановых механизмов.
В расчетах рассматривают предельные состояния крановых механизмов в целом или отдельных элементов. Предельными называют состояния, обусловленные требованиями безопасности или недопущением снижения работоспособности (эффективности), при которых практически невозможна их дальнейшая эксплуатация. Наступление предельного состояния соответствует временному или постоянному отказу крана в целом или его элементов. Отказы могут наступить внезапно или постепенно. Рассматривают две группы предельных состояний: первая – по исчерпании элементом механизма несущей способности; вторая – по достижении условий, нарушающих нормальную эксплуатацию.
Предельные состояния первой группы характеризуются разрушением элемента или соединения, которое может быть вязким, хрупким или усталостным (проводят расчеты на прочность и сопротивление усталости); достижением состояния, при котором дальнейшее увеличение нагрузок приводит к переходу конструкции или ее элемента в изменяемую систему вследствие потери устойчивости формы или достижения напряжения предела текучести в каких-либо точках сечения элемента (проводят расчеты на устойчивость).
Предельные состояния второй группы характеризуются возникновением деформаций и перемещений элементов механизма, препятствующих их нормальной эксплуатации (выполняют расчеты деформаций); действием колебаний, нарушающих нормальную работу механизма (выполняют расчеты частот и амплитуд колебаний); нарушением сцепления приводных колес с рельсами (определяют запас сцепления) и т.п.
Расчет деталей механизмов производят по методу допускаемых напряжений, а расчет металлических конструкций мостов — по методу допускаемых напряжений или по методу предельных состояний.
Метод расчета по предельным состояниям основывается на анализе процессов перехода конструкций в одно из этих состояний, при котором они теряют способность сопротивляться внешним воздействиям или перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям.
Различают три вида предельных состояний: – состояние по несущей способности (прочности, устойчивости и выносливости), при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или в ней возникают такие остаточные изменения, при которых она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям; – состояние по развитию чрезмерных деформаций от статических или динамических нагрузок, при достижении которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются обратимые деформации или колебания, вследствие чего конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям; – состояние по образованию и раскрытию трещин, при достижении которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются и раскрываются крупные трещины, что исключает возможность дальнейшей эксплуатации конструкции (например, вследствие потери водонепроницаемости в связи с опасностью коррозии из-за повреждения антикоррозийного покрытия и т. п.).
Расчет по методу предельных состояний дает возможность осуществлять дифференцированный подход к различным частям металлических конструкций и обеспечивать важнейший принцип конструирования — равнопрочность элементов и их соединений. При этом методе специфика работы конструкции учитывается введением понятий о предельных состояниях, ограничивающих или исключающих его нормальную эксплуатацию. В отличие от расчета по допускаемым напряжениям в расчете по предельным состояниям вместо одного коэффициента запаса принимается система трех расчетных коэффициентов: однородности, перегрузки и условий работы. При расчете конструкции по предельным состояниям вместо допускаемых напряжений принимают расчетные сопротивления, которые являются наименьшими возможными сопротивлениями материала, гарантируемыми весьма малой вероятностью появления меньших значений.
Расчет по вероятности безотказной работы учитывает случайный характер нагрузок и несущих способностей, а также длительность работы соответствующих элементов крана и наиболее полно — действительные процессы потери работоспособности деталей и узлов. Однако этот метод расчета требует наличия большого статистического материала, на основании которого устанавливаются расчетные зависимости, и не получил пока широкого распространения. Детали механизмов и элементы металлоконструкций рассчитывают при действии статических и динамических напряжений на прочность (статическую прочность), а при большом числе циклов изменения напряжений— на выносливость (усталостную прочность). Отдельные детали (например, валы), а также металлоконструкции рассчитывают на жесткость. При расчете валов определяют линейные и угловые перемещения (прогибы и углы поворота опорных сечений), величины которых оказывают значительное влияние на работоспособность зубчатых передач и подшипников
Расчет деталей механизмов производят по методу допускаемых напряжений, а расчет металлических конструкций мостов — по методу допускаемых напряжений или по методу предельных состояний.
Все расчеты делят на предварительные (проектные) и проверочные (уточненные). На основании предварительных расчетов принимаются конструктивные решения и определяется типоразмер элементов механизмов и металлоконструкций. В проверочном расчете определяются величина и характер напряжений, действующих в опасных зонах элементов конструкции, находятся коэффициенты запаса статической и усталостной прочности. Кроме того, проводятся различные специфические расчеты (нагрев, срабатывание защиты, противоугонных устройств и т.д.)
В расчетах элементов крановых механизмов применяют метод, который принято называть расчетом по допускаемым напряжениям. В основу метода положено определение коэффициента запаса, который представляет собой отношение предельного значения напряжений материала, нагрузок или деформаций к максимальным расчетным напряжениям, нагрузкам, деформациям. Коэффициент запаса не должен превышать определенные значения, свойственные принятым материалам или условиям работы элементов механизмов.
Проверочный расчет. Размеры элементов известны или приняты в зависимости от эксплуатационных и технологических параметров.
В расчетах по напряжениям должно выполняться условие
,
где n – фактический коэффициент запаса по напряжениям; σПР – предельное состояние материала; σMAX – максимальное напряжение при рассматриваемом сочетании нагрузок; [n] – допускаемый коэффициент запаса.
Во избежание пластических деформаций за предельное состояние σПР принимают предел текучести σТ. Для хрупких, а в некоторых случаях и для умеренно пластичных материалов за σПР принимают предел прочности σВ. В расчетах на сопротивление усталости учитывают предел выносливости при симметричном цикле.
Максимальное рабочее напряжение определяется по соответствующей расчетной схеме элемента при нормативных нагрузках. При двухосном состоянии эквивалентное напряжение
, (1)
где X, Y – нормальные напряжения в точке расчетного сечения по двум взаимно перпендикулярным осям; XY ‑ касательные напряжения в той же точке.
Возможны следующие частные случаи:
при
XY=0; (2)
при
Y=0. (3)
Напряжения в (1 – 3) определяются методами сопротивления материалов по формулам:
при
растяжении – сжатии
;
при
изгибе
;
при
кручении
,
где Fmax, Mmax, MКР.max – расчетные сила, изгибающий и крутящий моменты; A – площадь сечения; W – момент сопротивления сечения изгибу; WКР – момент сопротивления сечения кручению.
Фактический коэффициент запаса по текучести:
,
где σТ – предел текучести материала.
Допускаемые напряжения определяются дифференцированным методом в зависимости от предельного напряжения и запаса прочности. Величина предельного напряжения принимается исходя из состояния материала (пластичное или хрупкое) и характера действующих напряжений. Величина запаса прочности устанавливается в зависимости от степени надежности материала, степени ответственности рассчитываемой детали и режима работы механизма.
При расчете деталей из пластичных материалов на изгиб и кручение учитывается повышение несущей способности из-за перераспределения напряжений по сечению вследствие пластических деформаций.
Расчет на выносливость можно выполнять с помощью эквивалентной нагрузки или с учетом эквивалентного времени, определяемого эквивалентным числом циклов нагружения. Для определения последнего обычно используют графики загрузки механизмов во времени. За расчетную нагрузку в этом случае принимают максимальную длительно действующую нагрузку. Максимальную кратковременную (пиковую) нагрузку при расчете на выносливость не учитывают, а принимают в качестве расчетной нагрузки при расчете на прочность.
РАСЧЕТ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ
А) – при стационарном режиме нагружения
Б) – при нестационарном режиме нагружения
Расчетные нагрузки для металлоконструкций мостовых кранов
При расчете металлических конструкций кранов учитывают следующие нагрузки.
Вертикальные постоянные нагрузки. Они определяются массой металлоконструкции моста, механизма передвижения, троллеев, электрооборудования и аппаратуры.
Нагрузки, создаваемые массой балок моста, рабочих площадок, троллеев, а также трансмиссионным валом у механизма передвижения крана с центральным приводом принимают равномерно распределенными, а нагрузки, создаваемые массой приводов механизмов передвижения и массой кабины крановщика, — сосредоточенными.
М
асса
элементов металлоконструкций зависит
от размеров их сечений, которые вследствие
погрешностей при прокатке могут превышать
номинальные размеры, предусмотренные
соответствующими стандартами. При
определении массы крана коэффициентом
tig учитывается возможность ее увеличения
из-за превышения размеров и вследствие
других, технологических отклонений при
изготовлении. При грузоподъемности
крана до 12,5 т /zG=l,l, при большей
грузоподъемности nG = l,05.
При определении массы пролетного строения моста, кабины и механизма передвижения крана обычно используются данные об аналогичных конструкциях, которые в процессе проектирования крана уточняются.
Рис. 2.2. Графики масс мостов кранов грузоподъемностью:
Рис. 2.3. Схема к определению нагрузок на раму тележки
Для кранов легкого режима работы значения массы следует уменьшить на 10%, а для кранов тяжелого режима — увеличить на 10%. Для мостов, изготовляемых из низколегированных сталей, массу нужно уменьшать на 10—20%. Массу механизма передвижения крана среднего режима работы с центральным приводом можно принимать равной 0,9 т при Q=15 т; 1,5 т при Q = 20/5 и 30/5 т; 2,7 т при Q= 100/20-250/32 т. Распределенную нагрузку от массы трансмиссионного вала механизма передвижения можно принимать равной 0,1—0,2 т/м. Масса открытой кабины крановщика составляют 600—800 кг, закрытой — 1000—1200 кг, а масса электроаппаратуры в кабине — 400—500 кг. Вертикальными подвижными нагрузками для кранового моста являются силы давления ходовых колес тележки.
Для четырехколесных тележек задача, связанная с определением вертикальных сил давления ходовых колес, является один раз статически неопределимой. Для уточненного решения этой задачи кроме трех уравнений статики необходимо еще одно дополнительное уравнение деформаций, учитывающее погрешности изготовления крана (тележки) и основания.
При приближенном решении рама тележки рассматривается в виде статически определимой системы, и нагрузки на колеса определяются разложением сил и моментов. При этом рама тележки принимается в виде конструкции, состоящей из шарнирно сочлененных балок или в виде жесткой рамы. В последнем случае рама рассматривается как абсолютно жесткое тело, опирающееся до нагруже-ния во всех четырех точках. При этом формулы, определяющие силы давления четырех ходовых колес, линейны относительно эксцентриситета приложения нагрузки, что не противоречит принципу независимости действия сил.
На рис. 2.3 приведена схем; определяющая положение точек О г и 02 приложения к раме четырехколесной тележки сил GT и Q. Принято, что обе точки смещены относительно центральной точки тележки О. Аналогично определяются давления на ходовые колеса при других положениях точек Ох и 02.
При числе ходовых колес тележки более 4, когда тележка выполняется с балансиром, нагрузка на одно ходовое колесо принимается равной Р1пк, где Р — нагрузка на ходовое колесо четырех-опорной тележки; пк — число ходовых колес в балансире.
При расчете главных балок крановых мостов в случае отсутствия Данных, необходимо для определения эквивалентной нагрузки, коэффициент переменности нагрузки фэ приближенно можно принимать для кранов среднего режима работы срэ=0,75ч-0,8; для кранов тяжелого режима фэ=0,9.
При определении динамических коэффициентов обычно рассматривают два случая: отрыв груза от основания при слабонатянутом канате (подъем с подхватом) и разгон (при подъеме) или торможение (при опускании) груза навесу. Динамические коэффициенты грх и •фи, принимаемые при расчетах на выносливость и прочность, определяют по одной и той же формуле, но с подстановкой разных значений скорости.
Динамические коэффициенты для случаев подъема груза мостовыми кранами, у которых канаты, спускающиеся с барабанов, располагаются вертикально, всегда больше динамических коэффициентов, определяемых для случая мгновенного торможения опускаемых грузов. Это объясняется тем, что при мгновенном торможении опускаемого груза в потенциальную энергию конструкции моста и канатов переходит лишь кинетическая энергия груза, а при отрыве груза от земли и в процессе подъема — кинетическая энергия не только груза, но и моста, прогибающегося вследствие натяжения канатов.
Как показали исследования крановых мостов, величина а, определяющая значение динамического коэффициента, изменяется в сравнительно небольших пределах; приближенно можно считать, что а«0,025—0,04. Поэтому динамический коэффициент зависит в первую очередь от скорости отрыва груза от земли и, следовательно, от номинальной скорости подъема груза. С увеличением грузоподъемности, скорости подъема, как правило, уменьшаются, в связи с чем для кранов большой грузоподъемности получаются меньшие значения динамических коэффициентов, чем для кранов того же режима работы, но меньшей грузоподъемности.
При определении динамических нагрузок коэффициенты перегрузки от масс груза и металлоконструкции не учитывают. Их не учитывают также и при определении горизонтальных инерционных нагрузок. Эти инерционные нагрузки от масс элементов пролетного строения моста (главных балок, рабочих площадок и т. п.) принимают равномерно распределенными по длине главных балок, а инерционные нагрузки от масс отдельно расположенных узлов (кабины, приводов механизмов передвижения) принимают в виде сосредоточенных сил. Инерционные нагрузки от масс тележки и груза также принимают в виде сосредоточенных сил и считают приложенными к головкам рельсов моста в местах расположения ходовых колес тележки и направленными при разгоне и торможении механизма передвижения крана перпендикулярно оси моста.
С целью упрощения расчета вместо двух (или четырех) таких сил для кранов с четырех- или восьми колесными тележками для каждой главной балки принимают одну силу — равнодействующую поперечных сил давления ходовых колес тележки на рельс главной балки, при этом считают, что тележка с грузом располагается в середине пролета. Для случая выхода из строя одного из приводов механизма передвижения крана с раздельным приводом рассматривают положение тележки около одной из концевых балок.
При расчете горизонтальных инерционных нагрузок по методике, изложенной в работе [10], сначала определяют наибольшее расчетное ускорение, обусловленное максимальным моментом двигателя (тормоза) и ограничиваемое условием сцепления ходовых колес с рельсами:
где \х — коэффициент сцепления колес с рельсом; g — ускорение свободного падения; PnV, РСУы — соответственно сила давления на приводные колеса (включая влияние горизонтальных инерционных сил и ветра) и сила давления на все колеса. Затем определяют горизонтальные нагрузки Ри и PjJlax, учитываемые при расчетах главных балок на выносливость и прочность. При этом величина j принимается не большей значения, определяемого по условию сцепления ходовых колес с рельсами при средних значениях.
При расчетах на прочность необходимо исходить из условия резкого разгона или торможения, принимая Ри=2(тк+тг)/ при значениях, не превышающих величин, определяемых из условия сцепления при наибольших значениях. В качестве расчетной сосредоточенной инерционной силы Ри принимается большее из значений Рип и Рит.
При работе кранов на открытом воздухе характерным является неравномерное влияние температуры и. солнечной радиации на элементы главных балок. Различие в нагреве верхних и нижних поясных листов вызывает искривление балок, а нагрев вертикальных стенок — появление температурных напряжений. Поэтому при расчете кранов с пролетом более 40 м, работающих на открытом воздухе с колебаниями температуры ±40°С, должны учитываться нагрузки, возникающие от тепловых деформаций пролетной части моста.
Ветровая нагрузка на кран и груз определяется в соответствии с указаниями ГОСТ 1451—77 «Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая». При этом принимаются поверхность номинального груза — без учета перегрузки, величина коэффициента перегрузки от действия ветровой нагрузки 1,1, а величина динамического коэффициента 1,0.
Сейсмические нагрузки должны учитываться в соответствии с требованиями СНиП II-A-12—62 «Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования».
Расчет элементов машин на прочность проводят по основному уравнению прочности:
б=бпр/n>б,
где б - допускаемое напряжение, бпр – предельное напряжение материала при данном напряженном состоянии. При расчете элементов из пластических материалов бпр=бт, где бт-предел текучести; при расчете деталей из хрупких материалов бпр=бв, где бв-предел прочности, n-коэффициент запаса прочности, принимающий значение nIII или nII (таб.4) в зависимости от расчетного случая; б – фактическое напряжение, определяемое с учетом динамических нагрузок, но без учета концентрации напряжений.
Таблица 4. Коэффициенты запаса для элементов механизмов
и металлоконструкций
Рассчитываемые элементы |
Расчетные случаи |
||
I |
II |
III |
|
nI |
nII |
nIII |
|
Металлические стальные конструкции кранов |
1,4 |
1,4 |
1,3 |
То же при транспортировании жидкого металла |
1,7 |
1,7 |
1,3 |
Металлические алюминиевые конструкции |
1,6 |
1,6 |
1,5 |
Механизмы подъема груза, изменение вылета, ходовые и опорные части, грузозахватные устройства |
1,6/ 1,8 |
1,6/1,8 |
1,4/1,6 |
Механизмы передвижения и поворота |
1,4/1,6 |
1,4/1,6 |
|
В общем случае коэффициент запаса может быть представлен в виде
n=1+а1+а2+а3.
Здесь величина а1 учитывает влияние отказа рассчитываемого механизма (элемента) на работу машины; величина а2 учитывает возможную неоднородность материала, т.е влияние внутренних дефектов материала и отклонение действительных размеров элемента от номинальных. Доля запаса а1 учитывает минимальный запас прочности и выбирается в зависимости от ответственности рассчитываемого элемента (механизма) с учетом соображений о степени точности расчета (определение нагрузок и напряжений). Части крана повреждения которые могут вызвать падения груза, падения стрелы, опрокидывание поворотной части, опрокидывания крана и угон его ветром вдоль пути, должны рассчитываться с повышенным запасом прочности; они должны иметь большое значение а1, чем части крана, поломки которых вызовут только его остановку. В условиях, когда на кране отсутствуют люди, а также в случае особых нагрузок, величина а1 может быть уменьшена.
Доля запаса а2 учитывает неоднородность материала, возможные внутренние порок, отклонение размеров от номинальных.
Расчет на выносливость (усталостную прочность) производится по нагрузкам: б<бrk=бrk/n1,
где бrk-предел выносливливости с учетом коэффициента асимметрии цикла r; n1- запас прочности при нагрузках первого случая.
Коэффициент срока службы a= N0/ zi>1.
Таблица 5. Значения коэффициентов a= N0/ zi>1
-
zi/N0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
m=9
1,01
1,03
1,04
1,06
1,08
1,11
1,14
1,20
1,29
m=6
1,02
1,04
1,06
1,09
1,12
1,16
1,22
1,31
1,47
m=4
1,02
1,05
1,09
1,13
1,19
1,26
1,35
1,50
1,78
Срок службы L в годах назначается с учетом требования безопасности(последствия разрушения, возможность обнаружения усталостных трещин), экономической целесообразности(моральный износ машины), условий эксплуатации и наличия механического износа.
Таблица 6. Срок службы L в годах
(для расчетов на ограниченную выносливость)
-
Режимы работы
Л
С
Т
ВТ
Детали механизмов не изнашивающиеся
(изнашивающиеся)
30/15
20/10
15/7,5
0/5
Металлоконструкции
50
30
25
20
Заключение
Темпы развития подъемно-транспортного машиностроения, технический уровень и качество выпускаемого оборудования позволяют обеспечить выполнение все возрастающего объема погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ в самых различных областях народного хозяйства. Внедрение прогрессивных машин и оборудования, средств механизации позволило существенно увеличить производительность труда.
В подъемно – транспортном машиностроение при расчете механизмов применяют дифференциальный метод определения допускаемых напряжений: на каждую деталь в зависимости от степени ее ответственности и режима работы механизма в конкретных условиях ее использование устанавливают соответствующий коэффициент запаса прочности. При назначении коэффициентов обеспечивающих в совокупности общий запас прочности, учитываются условия безопасности людей, сохранности груза и оборудования и целости машины. На элементы машин, повреждения которых могут вызвать падение груза, опрокидывание крана и т.п., назначают повышенные коэффициенты запаса прочности. Кроме того, при определение коэффициента запаса прочности учитывают специфику работы механизма грузоподъемной машины в условиях повторно-кратковременного режима с большей частотой переключения. Это особенно важно при расчетах конструкций на сопротивление усталости. При расчетах на прочность необходимо учитывать влияние ударных нагрузок, появляющихся при резких пусках и остановках, при отрыве груза от опоры, при отсутствии предварительного натяжения каната.
Создание качественно новых видов подъемно-транспортных машин и механизмов, а также широкую модернизацию существующих машин и установок для обеспечения механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ.
Повышение грузоподъемности и надежности машин при одновременном и значительном снижении их металлоемкости благодаря применению кинематических схем, более совершенных методов расчета.
Увеличение производительности оборудования благодаря применению широкого регулирования скоростей механизмов.
Увеличение области применения машин непрерывного транспортирования путем расширения нормальных рядов машин как в направлении создания мощных и сверхмощных машин.
В настоящее время при производстве любых машиностроительных конструкций актуальна задача повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции. А это значит, необходимо не только переходить на новые материалы и технологии, но и совершенствовать расчетные методы, привлекая новые подходы к оценке прочности и ресурса. Быстрое и качественное определение данных показателей дает возможность сократить сроки проектирования и объем дорогостоящей экспериментальной отработки конструкций, расширить номенклатурный ряд изделий.
Под совершенствованием расчетных методов понимается получение все более точных решений триединой задачи, включающей:
определение характера и величины эксплуатационных нагрузок;
определение напряженно-деформированного состояния элементов конструкций;
определение долговечности элементов конструкций.
Точность решения второй и третьей задачи естественно зависит от решения точности решения первой задачи. С появлением универсальных вычислительных программ решения второй и третьей задачи можно получить достаточно просто, однако оценить достоверность полученных решений зачастую затруднительно. Это связано с тем, что такие программы представляют собой «черный ящик», а заложенная в них универсальность порой приводит к неверным результатам. Следует добавить, что при решении третьей задачи в настоящее время используются пакеты универсальных вычислительных программ, где механизм деградации, обычно, базируется только на усталостной прочности с применением линейной гипотезы суммирования.
Таким образом, разработка новых подходов и методов, получение дополнительных методик, включающих собственные решения поставленных задач по оценке долговечности, будет полезна как для уточнения конкретных отраслевых методик, так и для решения общей проблемы оценки долговечности в целом. В перспективе это позволит более обосновано назначать сроки проведения регламентных работ, оценивать остаточный ресурс и решать другие вопросы, связанные с повышением эффективности эксплуатации конструкций.
Исследования по определению ресурсных характеристик конструкций под воздействием эксплуатационных нагрузок имеют как фундаментальную составляющею (решение нелинейных и связных задач деформируемого твердого тела, задач механики в уточненной постановке и др.), так и прикладную (экспериментальное исследование свойств материалов на образцах, новые методики накопления поврежденности, экспериментальная отработка конструкций и др.).
В технической литературе встречается расширенное определение понятия долговечности. Под долговечностью изделия или конструкции понимается свойство длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью его дальней эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Показатель долговечности – технический ресурс (сокращенно ресурс). Это наработка изделия от начала его эксплуатации или восстановления эксплуатации после ремонта до предельного состояния. Ресурс обычно выражается в единицах времени или длины пути. Для невосстанавливаемых изделий понятие технического ресурса и наработки до отказа совпадают.
Долговечность конструкции определяется характером и величиной внешних физико-химических и механических воздействий. К физико-химическим относятся тепловые, коррозионные, радиационные и другие подобные воздействия, вызывающие появление в объекте дополнительных полей напряжений или изменение свойств материала элементов конструкции. Весовые, технологические, динамические и прочие внешние нагрузки оказывают силовое или механическое воздействие, определяющее исходное напряженно-деформированное состояние элементов машиностроительных конструкций. Наиболее негативное влияние на долговечность конструкции оказывают переменные по времени и по объему температурные и силовые поля напряжений. Усталость металла несущих элементов металлоконструкций установлена в качестве основной причины большинства невосстанавливаемых отказов машин, тяжелых аварий и катастрофических разрушений в разных отраслях техники и транспорта.
Механическое разрушение можно определить как любое изменение размера, формы или свойств материала элемента конструкции, вследствие которого конструкция или машина не может удовлетворительно выполнять свои функции. Чтобы предотвратить механическое разрушение необходимо иметь представление о встречающихся на практике видах разрушения и условиях, при которых они возникают.
В литературе приводятся различные классификации видов разрушения, однако, следуя работе [60], можно выделить четыре основных класса – упругая деформация, пластическая деформация, разделение на части и изменение свойств материала.
Причины разрушения можно также разделить на четыре класса: нагрузки (установившиеся, неустановившиеся, циклические, случайные), время процесса (малое, продолжительное), температуры (низкие, повышенные, установившиеся, неустановившиеся, циклические, случайные), воздействия окружающей среды (химическое, ядерное) [60].
Для определения долговечности элементов конструкций необходимо выбрать характеристики процесса эксплуатации из представленного перечня и постараться математически точно описать предполагаемый вид разрушения.
Приведем перечень наиболее часто встречающихся на практике видов разрушения и краткое их пояснение [60].
1.Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и температур. Этот вид деформации имеет место, когда упругая деформация элемента конструкции становится настолько большой, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенную ему функцию.
2.Текучесть имеет место, когда пластическая деформация элемента конструкции, возникающая при действии эксплуатационных нагрузок, становится настолько большой, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенную ему функцию.
3. Бринелирование, или разрушение вдавливанием, происходит, когда усилия в месте контакта криволинейных поверхностей приводят к появлению локальных пластических деформаций у соприкасающихся элементов конструкций, в результате чего происходит изменение формы поверхности.
4. Вязкое разрушение происходит, когда пластическая деформация элемента конструкции достигает такой величины, что элемент разделяется на две части. Разрушение происходит в результате процесса зарождения и распространения внутренних пор.
5. Хрупкое разрушение происходит, когда упругая деформация элемента конструкции из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части.
6. Усталостью называется разрушение в виде внезапного разделения элемента конструкции на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок. Разрушение происходит путем зарождения и распространения трещины, которая после достижения некоторого критического размера быстро увеличивается, вызывая разрушение. Если разрушение происходит более, чем через 50 тысяч циклов, то явление называется многоцикловой усталостью, если менее данного значения, то явление называется малоцикловой усталостью. Когда циклические нагрузки в элементе конструкции возникают в результате циклически меняющегося температурного поля, явление называется термической усталостью. Явление, называемое поверхностной усталостью, обычно происходит при наличии вращающихся контактирующих поверхностей. Проявляется оно в виде питтинга, т.е. растрескивания и выкрашивания контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине возникают циклические касательные напряжения, приводящие к возникновению трещины.
7. Коррозия - вид разрушения, при котором деталь или элемент конструкции утрачивает способность исполнять свою функцию из-за изменения свойств материала в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Химическая коррозия представляет наиболее общий тип коррозии вследствие непосредственного контакта поверхности детали с коррозионной средой. Химическая коррозия происходит равномерно по всей открытой поверхности детали. Электрохимическая коррозия происходит, когда два разных металла образуют части электрической цепи, замыкаемой раствором электролита или коррозионной средой. Щелевая коррозия - это быстро протекающий процесс в щелях, трещинах, стыках, где задерживаются малые количества раствора, соприкасающегося с коррозирующим металлом. При питтинговой (точечной) коррозии происходит локализованное образование углублений на поверхности металла. Эрозионная коррозия - это химический процесс, при котором в результате действия абразивных веществ на поверхности материала в месте контакта с коррозионной средой обнажается свежий незащищенный материал. Кавитационная коррозия происходит, когда под влиянием давления пара пузырьки и каверны в жидкости лопаются у поверхности детали, в результате чего вырываются частицы материала и открывается доступ коррозионной среды к незащищенному материалу.
8. Водородное повреждение это явление насыщения водородом, водородное охрупчивание и обезуглероживание.
9. Износ - процесс постепенного изменения разметов детали вследствие удаления отдельных частиц с контактирующих поверхностей при их движении. Адгезионный износ происходит в результате действия локальных давлений, сваривания между собой шероховатых поверхностей и разрушения локальных сцеплений. При абразивном износе удаляются частицы материала с поверхности детали в результате режущего или царапающего действия неровностей более твердой из контактирующих поверхностей. Поверхностный усталостный износ представляет собой изнашивание вращающихся относительно друг друга криволинейных поверхностей. При этом в результате действия циклических касательных напряжений на небольшой глубине у поверхности возникают микротрещины, выходящие на поверхность, откалываются частицы материала и на поверхности образуются ямки.
10. Разрушение при ударе происходит, когда в результате действия динамических нагрузок в элементе конструкции возникают такие напряжения или деформации, что данный элемент уже не в состоянии выполнять предназначенную ему функцию. Разрушение происходит в результате взаимодействия волн напряжений и деформаций, являющихся следствием внезапного приложения нагрузки. Взаимодействие волн может приводить к возникновению локальных напряжений и деформаций во много раз больших, чем при статическом приложении тех же самых нагрузок.
11. Фреттинг происходит на поверхности контакта двух деталей, прижатых друг к другу нормальной силой и совершающих относительно друг друга циклические движения малой амплитуды. Фреттинг обычно бывает в местах соединений, где не должно быть движения, но в результате действия вибрационных нагрузок незначительные циклические смещения все-таки есть. Фреттинг-усталость представляет собой преждевременное усталостное разрушение детали, на которую действуют циклические нагрузки или деформации в условиях, способствующих фреттингу. Поверхностные повреждения, появляющиеся в результате фреттинга, играют роль зародышей усталостных трещин, в результате роста которых происходит усталостное разрушение. Фреттинг-износ наблюдается, когда изменения размеров контактирующих деталей в результате фреттинга становятся недопустимо большими и появляются концентраторы напряжений, превышающие допустимый уровень. Фреттинг-коррозия происходит, когда в результате фреттинга свойства материала детали ухудшаются настолько, что она теряет свою функциональную способность.
12. Разрушение в результате ползучести может происходить, если пластическая деформация элемента конструкции, накопленная в течение некоторого времени действия силы или температуры приводит к изменениям размеров, вследствие которых элемент не может выполнять предназначенную ему функцию.
13. Тепловой удар происходит, когда градиенты возникающего в элементе конструкции температурного поля настолько велики, что вследствие перепадов температурных деформаций начинается пластическая деформация или разрушение.
14. Заедание наблюдается в случае, когда на две скользящие друг по другу поверхности действуют такие нагрузки, что в результате пластической деформации происходит существенная деструкция поверхности и перенос металла с одной поверхности на другую. Заедание можно считать интенсивным процессом адгезионного износа. Схватывание является интенсивным процессом заедания, при котором контактирующие детали практически свариваются и их относительное перемещение становится невозможным.
15. Разрушение выпучиванием наблюдается, когда при некоторой величине или месте приложения нагрузки перемещение элемента конструкции внезапно резко увеличиваются при малом изменения нагрузки. Такое поведение приводит к разрушению выпучиванием, если потерявший устойчивость элемент уже не может выполнять свою функцию.
16 Разрушение вследствие радиационного повреждения наступает при радиационном облучении, когда произошли такие изменения свойств материала, что элемент конструкции уже не может выполнить своих функций. Обычно эти изменения связаны с потерей пластических свойств. Полимерные материалы более подвержены радиационному повреждению, чем металлы. Прочностные характеристики металлов иногда после радиационного облучения даже улучшаются, хотя пластические свойства уменьшаются.
Приведенный перечень видов разрушения не является исчерпывающим. С более полным списком видов разрушения можно ознакомиться в работах [60] и [101]. По приведенному списку видов разрушений можно сделать вывод, что, в основном, отказы провоцируются локальным распределением напряжений и потерей прочностных свойств материала вследствие накопления повреждений.