Эксплуатация подкрановых конструкций

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г. И. Носова

       Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Еремин К.И.

       Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тамплон Ф.Ф.

кандидат технических наук, доцент Сабуров В.Ф.

       Ведущее предприятие:  ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

 Кришан А.Л.

Ученый секретарь диссертационного совета


 

Общая характеристика работы

         Актуальность. Натурные освидетельствования стальных каркасов промышленных зданий сооружений показывают, что наиболее повреждаемыми в процессе эксплуатации являются пор крановые конструкции. Наиболее интенсивно развитие и накопление повреждений происходит в цехах, оборудованных кранами с режимами работы 7К, 8К. Общепризнанными причинами повреждений подкрановых конструкций являются составляющие подвижной крановой нагрузки; вертикальные давления колес и горизонтальные поперечные силы. Если в результате изучения вертикальных крановых воздействий получено сравнительно четкое предел явление о них, то этого нельзя сказать о горизонтальных поперечных воздействиях, существенно влияющих на эксплуатационную надежность таких элементов подкрановых конструкций, как крановые рельсы, узлы крепления подкрановых и тормозных балок (ферм) к колоннам, подкрановые и тормозные балки (фермы). Восстановление эксплуатационных качеств (ремонт) конструкций требует значительных материальных средств. Особенно сложно решается этот вопрос в настоящее время в связи с тяжелым финансовым положением предприятий, К наиболее перспективным конкретным путям повышения эксплуатационной надежности подкрановых конструкций в настоящее время относятся: улучшение условий их работы; уточнение и снижение крановых нагрузок; совершенствование конструктивных решений подкрановых путей и мостовых кранов.

Исследованию этих вопросов и посвящена настоящая работа.

Цель работы. Разработка мероприятий, направленных на повышение эксплуатационной надежности подкрановых конструкций.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

- определены величины и характер горизонтальных поперечных воздействий от многоколесных (восьми и двенадцатиколесных) и четырехколесных мостовых кранов;

-  произведена оценка основных факторов, определяющих величины поперечных воздействий

-  разработаны рекомендации по проектированию, технической эксплуатации и ремонту подкрановых конструкций и ходовых частей мостовых кранов;

 -  разработаны технические  решения усовершенствованного подкранового пути и ходовой части мостового крана.

       Научную НОВИЗНУ работы составляют:

- результаты экспериментальных исследований горизонтальных поперечных воздействий четырехколесных и многоколесных мостовых кранов в условиях действующих предприятий;

- результаты натурных обследований подкрановых конструкций и ходовых частей мостовых кранов с оценкой основных факторов, определяющих величины и характер горизонтальных поперечных воздействий (сужение-расширение падкрановых путей, перекосы колес горизонтальной плоскости);

- результаты экспериментальных исследований траектории движения многоколесного мостового крана, определение вариантов ограничения nepeкоса моста крана в горизонтальной плоскости;

- технические решения конструкции подкранового пути с повышенной эксплуатационной надежностью (ас СССР № 893810), конструкций ходовых частей мостового крана.

   Практическую ценность работы представляют разработанные на основе экспериментальных исследований рекомендации по проектированию, технической эксплуатации и ремонтам подкрановых, конструкций и ходовых частей мостовых кранов; конструктивные решения подкранового пути, ходовых частей мостового крана; рекомендации по определению поперечной горизонтальной силы от колес мостовых кранов.

      Внедрение результатов. Разработанные рекомендации по проектированию, технической эксплуатации и ремонтам подкрановых конструкций и мостовых кранов приняты для практической работы в подразделениях ОАО «ММК» и АО «Магнитогорский ГИЛРОМЕЗ».

       Апробаций работы. Основные результаты работы были обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (1985- 1987 гг.), на IV Всесоюзной конференции (г.Новополоцк, 1986 г.), на Всесоюзном семинаре (г.Макеевка. 1986 г.), на Всесоюзной конференции (г.Киев, 1981 г.).

    Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей и тезисов докладов, получено 1 авторское свидетельство.

     Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 58 наименований, и приложений. Работе содержит 138 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 6 таблиц.

       На защиту выносятся:

        1) Результаты экспериментальных и теоретических исследований:

          -  горизонтальных поперечных воздействий от четырех- копесных и многоколесных мостовых кранов на подкрановые конструкции в условиях действующих предприятии;

       -  основных факторов, определяющих величины и характер горизонтальных поперечных воздействий от мостовых кранов;

          -  траектории движения двенадцатшолесного мостового крана, определяющей варианты ограничения поворота моста крана в горизонтальной плоскости.

       2) Технические решения конструкций усовершенствованного подкранового пути и ходовой части мостовых кранов.

 Содержание работы

       Во введении приводится анализ действительной работы подкрановых конструкций, а также дается обоснование актуальности диссертационной работы.

        В пеоаой главе в хронологическом порядке сделан обзор и анализ имеющихся экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению горизонтальных поперечных воздействий мостовых кранов. Рассматриваются работы, выполненные следующими авторами:   А. И. Кикиным,    М.П. Барштейном, А.Х. Хохариньм,   И.В. Изосимовым, А.В. Фигаровским, В.Ф.Сабуровым. С.Ф. Пичугиным, Б.Н. Кошутиным, С.А. Нищетой, В.П. Балашовым, А.И. Брусиловским,     Н.И.Сухомпиным, А.С. Конопли, Г.Л. Ермаковым, В.П. Яшуковым, Ф.Л. Аникеевой, В.А. Добровенским. Отмечается, что природа поперечных горизон- тапьных воздействий выявлена, названы факторы, влияющие на величины этих воздействий, определена ик структура. Горизонтальные поперечные силы разделены на тормозные, возникающие при торможении тележки, и боковые, возникающие при движении моста крана и работе крана как связи.

      В диссертации сделан анализ формул, предложенных названными авторами для определения величин поперечных крановых воздействий, а также приведены коэффициенты перегрузки (коэффициенты надежности по нагрузке) и коэффициенты сочетания для этих нагрузок.

    Следует отметить, что большинство исследований посвящено горизонтальным воздействиям от четырехколесных мостовых кранов. При этом величины сил, определенные по предлагаемым формулам, имеют большое расхождение, несмотря на то. что хорошо согласуются с экспериментальными значениями, полученными соответствующими авторами. Это объясняется и многообразием мостовых кранов и многообзезием вариантов сочетания отдельных определяющих факторов. Влияют на результаты и примененные методики экспериментальных исследований, которые разделяются на два группы; измерение поперечных сил, действующих на те или иные элементы подкрановых конструкций, и определение поперечных сил, действующих на отдельных ходовых колесах крана.

       Рассмотренные в первой главе работы, анализ их результатов дают достаточное представление о сущности проблемы, позволяют определить цели и задачи диссертационной работы и яв- ляются для нее отправной точкой.

    Во второй главе диссертации приведен анализ имеющихся методик проведения экспериментальных исследований крановых нагрузок, дана их оценка.

       Описана принятая методика экспериментальных исследований горизонтальных воздействий от многоколесных кранов, которая заключается в использовании узла крепления подкрановых балок к колоннам в качестве динамометре. При этом существующие заклепки крепления тормозной балки к колонне и болты крепления подкрановых балок к вертикальным диафрагмам снимались.

Передача горизонтальных усилий с подкрановых балок на колонны осуществлялась через цилиндрические динамометры, прикрепляемые к стержням колонн и верхним поясам подкрановых балок. Динамометры были выполнены из стали марки С45 и имели в рабочей зоне сечение ?35 мм, длину 300 мм. Все динамометры предварительно тарировались на прессе в лабораторных условиях, также выполнялась тарировка и непосредственно в цехе. Для регистрации усилий использовались две тензостанции ТА-5 совместно с 20-канальным светолучевым осциллографом Н004М1

Для экспериментальных исследований горизонтальных воздействий от четырехколесных кранов в качестве дииамометров использовались консольные части концевых балок моста крана, что позволяло измерять горизонтальные силы, действующие непосредственно на колесах крана. Тарировка концевых балок, нз которые были наклеены тензорезистры. производилась при помощи гидравлических домкратов с подъемной силой 500кН и 100кН. Для регистрации усилий использовались тензостанция ТА-5 и пятиканальный самопишущий прибор Н320-5.

Для исследования траектории движения двенадцатиколесного крана в натурных исследованиях была принята следующая методика.

       В качестве основного рабочего элемента служили отметчики касания реборд колес крана с головкой кранового рельса. При касании ребордой колеса головки рельса происходило замыкание электрической цепи отметчика, что регистрировалось на сеетолучевом осциллографе Н004М1. Данная информация позволила судить о качественной картине перекосов места крана при движении.

  Во второй главе также приводятся характеристики объектов экспериментальных исследований. Горизонтальные поперечные силы от многоколесных кранов измерялись в здании нагрева тельных колодцев обжимного цеха № 1 ОАО «МУК», оборудованного клещевыми мостовыми кранами подъемной силой 300/500 кН, режима работы В К и имеющими по 8 и 12 ходовых колес.

    Горизонтальные поперечные силы от четырехколесных кранов измерялись на открытой крановой эстакаде копрового цеха № 1 ОАО «МУК», оборудованной мостовыми кранами подъемной силой 100/100 кН.

   В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований и анализ горизонтальных крановых воздействий и факторов, определяющих эти воздействия.

      Регистрация усилий от мостовых кранов производилась как в детерминистическом варианте, так и при работе кранов по обеспечению технологического процесса. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что осциллограммы, записанные при одинаковых условиях «заездов» каждого крана, очень точно повторяют друг друга. Сравнение экспериментальных величин поперечных сил от многоколесных кранов с нормативными ' значениями, определенными согласно СНиП, показало, что экспериментальные величины поперечных сил во всех случаях не превышают нормативных. Исключения составили лишь усилия, возникающие при движении одного крана, что объясняется неудовлетворительным состоянием кодовых частей данного крана, приводящим даже к его «заклиниванию» во время работы от чрезмерно го перекоса.

    Изменение направления движения рада кранов характеризуется изменением направления действия сил, при этом усилия, действующие в одном створе колонн - разнонаправлены. На этом основании делается вывод, что для. данных кранов определяющим фактором возникновения горизонтальных поперечных сил является несовпадение плоскостей вращения колес с продольной осью рельса, то есть перекос осей колес в горизонтальной плоскости. Для других кранов изменение направления действия сил при изменении направления движения не характерна Это говорит с более благоприятной установке колес, что подтверждается проведенным обследованием ходовых частей кранов.

     Положение грузовой тележки на мосту крана при их проездах существенно влияет на величины типичных сип. Более характерен меньший уровень усилий при расположении тележки средней части моста крана. Торможение в начале движения тележки оказывало существенное влияние на величины поперечных горизонтальных сил. Усилия от торможения тележки носят более динамичный характер и составляют до 30 % от суммарных максимальных усилий. Поперечные усилия зарегистрированные при проезде нескольких сближенных кранов, не превысило максимальных значений, зарегистрированных при проезде отдельных кранов. Вид осциллограммы при этом существенно меняется, количество циклов знакопеременных загружений увеличивалось

    Результаты исследований траектории движения двенадт- ттотаного крана показали, что во время движения крана практически отсутствует его свободное движение без касания реборд ко- лес и головки рельса. При дублировании отдельных «заездов» траекторий движения крана полностью повторяется. Формирование перекоса происходит в начале движения, а на всем протяжении пути (=120 м) при конкретных условиях движения перекос остается практически постоянным. Выявлено, что ограничение перекоса моста происходит одновременно ребордами нескольких колес, расположенных как с одной стороны крана, так и колесами обеих сторон.

    Обследование состояния ходовых частей мостовых кранов (измерение углов перекоса осей колес в горизонтальной плоскости) показало, что тангенсы углов перекоса лежат в интервале 0,006-(-0,0054}, знак «+» означает направление по часовой стрелке. При этом предельные значений перекосов по нормам разных стран равны: СССР, США, Германия     Сравнение показывает, что фактические углы перекоса превышают предельные более, чем в 10 раз. Неблагоприятными с точки зрения величины поперечных сил, являются совпадения направлений перекосов всех колес балансира, всех колес одной стороны крана. Как показали результаты исследований такие сочетания имеют место.

Горизонтальные силы на колесах четырехколесного крана, как и многоколесных, очень  точно повторяются при одинаковых условиях заездов. При движении в тупик на ведущих колесах действуют поперечные силы, направленные одновременно из пролетов, при этом на ведомых колесах силы имеют противоположное направление - "в пролет". При изменении направления движения крана силы на колесах по мере движения меняют направление на обратное. Наибольшие поперечные силы возникали при сквозных проездах крана по эстакаде. Сравнение экспериментальных величин горизонтальных поперечных сил с нормативными (СНиГ.) показало, в отличие от многоколесных кранов, их значительное превышение (в 2-3 раза). Величины экспериментальных нагрузок ближе соответствуют значениям, определенным по формуле, предложенной С.А.Нищетой дня мостовых кранов промышленных зданий:

    Изучение состояния подкрановых путей, то есть сбор фактических величин «сужений-расширений» крановой шлеи, отклонений крановых рельсов от проектного положения в горизонтальной и вертикальной плоскостях (общее количество замеров — 710) показало, что сужение и расширение подкрановых путей являются массовым явлением, но отклонения практически не приближаются к предельным значениям.

     В четвертой главе диссертации выполнен теоретический анализ факторов, определяющих величины горизонтальных воздействий. Проведенный анализ направлен на решение задачи по определению теоретических значений боковых сил, действующих на отдельных колесах многоколесных кранов, а также их равнодействующих, передаваемых на поперечные рамы промышленных зданий

       В качестве исходной предпосылки на основании анализа силового воздействия а зоне контакта обода колеса с рельсом принято, что при движении кранов на колесах постоянно действуют боковые силы, обусловленные поперечным скольжением обода колеса относительно головки рельса. Причем поперечное скольжение обода колеса относительно рельса может быть упругим (псевдоскольжение) или действительным. При упругом скольжении величины боковых сил зависят от величины угла между направлением качения колеса и продольной осью подкранового рельса. Максимальные значения боковых сил будут иметь место при действительном поперечном скольжении, и будут зависеть от величины вертикального давления и коэффициента трения поперечного скольжения движущегося колеса.

     Вторая предпосылка заключается в том, что траектория движения мостового крана определяется тремя составляющими: движением крана вдоль пути, движением крана поперек пути и поворотом моста вокруг мгновенного центра вращения. Для многоколесных кранов движущихся по прямолинейным путям, расчетным случаем является ограничение поворота моста ребордами колес двух балансиров, расположенных по диагонали моста. Расчетным случаем ограничения поперечного смещения - ограничение смещения ребордами колес двум балансиров, расположенных на одной стороне моста. В реальных условиях при движении крана по прямолинейным путям расчетный случай определяется соотношение величин поперечного смещения и поворота моста. Дополнительными факторами определяющими случаи ограничения поперечного смещения и поворота крана, являются износ реборд колес (они меняются некомплектно по мере выработки) износ головок крановых рельсов и геометрия крановых путей в плане.

   Проведенный теоретический анализ влияния перекоса колес на величины поперечных сип позволил получить следующие выражен

   В диссертации приведены формулы максимальных усилий на колесах фана и при других вариантах ограничения поворота и поперечного смещения крана ребордами колес от несовпадения качения колес и продольной осью рельса.

  Дополнительной причиной перекоса моста крана в плане является разность тяговых усилий левой и правой сторон крана, которая определяется их неодинаковой загрузкой. Разность величин тяговых усилий, а, следовательно, и величин дополнительных сил на ребордах колес будут определяться схемой механизма передвижения моста.     

  Анализ влияния разности диаметров ведущих колес показал, что сила прижатия в денная случае, примерно, равна таковой от неравномерной загрузки сторон крана.

 Отклонение путей в плане влияет на величину угла между плоскостью качения колеса и продольной осью подкранового рельса. Угол перекоса колеса в горизонтальной плоскости может компенсироваться отклонением пути от «нулевого» положения, либо суммироваться и увеличивать угол между плоскостью качения колеса и продольной осью рельса. Так как величина угла влияет лишь на силу упругого скольжения и определяет момент начала действительного поперечного проскальзования, на пре- дельные значения поперечных сил на колесах крана, которые принимаются в качестве расчетных, отклонения путей в плане оказывать втяние не будут.

Сужение и расширение пролета кранового пути, как показывают натурные обследования, не превышают предельных значений. Так как превышение предельных значений является нарушением условий эксплуатации мостовых кранов, считается нецелесообразным учет распорных сил при нормировании поперечных крановых воздействий.

В результате анализа равнодействующих поперечных горизонтальных сил, действующих на поперечные рамы и элементы крепления подкрановых и тормозных балок к колоннам, получены и приведены выражения для различных вариантов движения мостового крана.

В пятой главе диссертации описаны техническиt решения усовершенствованного подкранового пути и конструкций ходовой части мостового крана.

Улучшение работы подкранового пути при воздействии на него горизонтальных сип в противоположных направлениях достигается тем, что верхний пояс подкрановой балки снабжен антифрикционной прокладкой, на которую свободно устанавливается  рельс с подкладкой. Стальная подкладка жестко соединяется с тормозным настилом, выполненным в еде двух  Г-образных элементов, между полками которых вдоль настиле установлены амортизаторы.

В мостовом кране тележки ходовых колес (балансиры) выполнены в виде траверс, соединенных посредством горизонтального шарниpa с опорной частью концевой балки. Опорная часть концевой балки с траверсой снабжена амортизирующим устройством для восприятия и гашения поперечных горизонтальных перемещений. Плечи травепс шарнирно соединены с расходящимися к низу рычагами, свободные концы каждого из которых жестко соединены с осями ходовых колес. Рычаги между собой соединены посредством пружинного амортизатора двойного действия.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает самоустановку тележек ходовых колес параллельно подкрановым рельсам, перераспределение давлений между колесами и снижение динамической составляющей силовых воздействий.

Основные выводы по работе

1. Основными факторами, определяющими величины поперечных сип, являются: перекос колес в горизонтальной плоскости, неравномерная загрузка сторон мостового крана и разность диаметров ведущих колес крана.

2. Горизонтальные поперечные силы (боковые силы) от многоколесных кранов действующие на поперечные рамы, не превышают значений, определенных по нормам (СниП 2.01.07-85), и зависят от индивидуальных особенностей мостовых кранов и составили максимально 82 % нормативных.

3. Горизонтальные поперечные силы (боковые силы) от четырехколесных кранов для открыгых крановых эстакад существенно (в 2-3 раза) превышают значения, определенные по нормам и хорошо согласуются с теоретическими, определяемыми по формуле, предложенной к.т.н Нищетой С.А. для промышленных зданий (1).

4. Местная поперечная сила на колесе многоколесного крана может превышать значение сил на колесах четырехколесного крана, что рекомендуется учитывать при расчетах на местную нагрузку (Мкр), формула (3).

5. Осциллограммы поперечных горизонтальных сил для каждого крана (многоколесного и четырехколесного) при одинаковых условиях движения остаются неизменными, что говорит о постоянстве факторов, определяющих их величины. Поперечные силы при остановке крана сохраняют свои значения.

6. Сипы от торможения тележки многоколесного крана носят более динамичный характер, чем боковые силы, по величине не превышают 30 % максимальных боковых сил и распределяются на два ряда балок рассматриваемого пролета.

7. Внедрение технических решений подкрановога пути и ходовых частей мостового крана, а также учет рекомендации по проектированию, технической эксплуатации и ремонтам подкрановых конструкций (npиложение к диссертации) улучшат условия работы подкрановых конструкций и, как следствие, повысят их эксплуатационную надежность.

       Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Кошутин Б.Н., Плотников В.А. Экспериментальные исследования воздействий на подкрановые конструкции здания нагревательных колодцев ОЦ-1 ММК //Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных зданий: Тез.док. Всесоюзного семинара. Макеевка, 1986. - С.56-57.

2. Кошутин Б.К, Заикин А.И., Плотников В.А. Методика натурных исследований сиповь&х воздействий от мостовых кранов с жестким подвесом груза на несущие стальные конструкции прошданий /7 Экспериментальные исследования инженерных сооружений: Тез.док. Всесоюзной конф, Киев, 1981. - С.28-29.

3. Плотников В.А., Чекуров А.А., Афонин B.S. Экспериментальные исследования перекосов многоколесных металлургических кранов // Экспериментальные исследования инженерньк сооружений: Тез.док. IV Всесоюзной конф. Новололоцк, 7986. - С.33-34.

4. Плотников В.А., Домников С.Ю., Щетинин С.Н. Исследование состояния подкрановых путей цехов ММК // I (роекти- рование, строительство и реконструкция промпредприятий в условиях технического перевооружения: Тез.док. Челябинск, 1В87. €.48-49.

5. Плотников В.А., Амелькин Г.И., Шашко Б,А. Усовершенствование подкрановых конструкций промышленных зданий // Повышение качества и надежности строительных металло- конструшций: Тез.док. Челябинск, 1988. - С 61-62.

6. Плотников 8.А. Исследование горизонтальных силовых воздействия от мостовых, кранов // Межвузовский сб.науч.тр. /МШИ. Магнитогорск. 1990. - С. 122-125.

7. Плотников 8.А. Теоретическое исследование боковых сил многоколесных мостовых кранов И Межвузовский сб.науч.тр. / МШИ. Магнитогорск. 1990. - С. 160-165.

8. Плотников В.А. Влияние неодинаковой загрузки сторон мостового крана на величины боковых сил И Межвузовский сб.науч.тр. / МГМИ. Магнитогорск. 1990. - С. 111-114.

9. Подкрановый путь /Плотников В.А., Амелькин Г И. // А С. № 893810 (СССР) Опубл. в Б.И. № 48, 1981.

 

^ Наверх