Основы усиления крановых металлоконструкций

Статья об усилении крановых металлоконструкций.

В настоящий период значительное количество предприятий, перебазировавшись в восточные районы, располагает свои агрегаты в цехах, подъёмные средства которых не всегда соответствуют технологическим возможностям основного оборудования. Ряд предприятий резко повышает производительность и мощность основного оборудования за счёт интенсификации технологического процесса. Во всех этих случаях может иметь место положение, когда недостаточная мощность кранового оборудования лимитирует рост производительности цеха. Замена действующих кранов новыми, более мощными не всегда бывает возможна, а в значительном количестве случаев и нерентабельна. Более целесообразным является усиление существующих кранов, что в подавляющем большинстве случаев возможно. Как показывает практика, при сравнительно небольшом расходе металла на усиление металлоконструкций мостовых кранов, можно повысить их грузонесущую способность на 40—50%.

Усиление металлоконструкций мостовых кранов, как правило, производится собственными силами заводов, эксплуатирующих их, причём эта работа проводится в очень жёсткие сроки, что предъявляет очень высокие требования к схемам и методам усилений.

В существующей литературе отсутствует руководящий материал по этому вопросу, который мог бы быть непосредственно использован предприятиями.

уководитель лаборатории крановых металлоконструкций ВНИИПТМАШ инж. П. Е.Богуславский в итоге изучения и проработки всего имеющегося материала отобрал ряд наиболее рациональных методов усиления крано-металлоконструкций, подробно их разработал, проведя всю необходимую вычислительную работу и составил практическое руководство, устанавливающее единообразные методы расчёта, проектирования и осуществления усилений, доступные для пользования квалифицированным работникам специализированных заводов.

Ряд выводов и приведенных материалов может оказаться полезным и при проектировании новых крановых металлоконструкций, где их применение может дать значительную экономию металла.

Учитывая, что пользоваться данной книгой в значительной мере лица, не являющиеся специалистами в области краностроения, в  разделе её приведены основные положения расчёта и проектирования крановых металлоконструкций — величины динамических коэфициентов, допускаемые прогибы, характеристика металла электродов и метизов, х быть использованными для усиления, и допускаемые напряжения в них.

В этом же разделе приведены общие указания о возможных схемах усиления.

Для шпренгельных систем приведён метод расчёта их по линиям влияния и даны таблицы, упрощающие и облегчающие определение расчётных силовых факторов.

Приведённый в последнем разделе метод расчёта вспомогательных ферм мостовых кранов освещает мало изученный и мало отраженный в литературе вопрос о распределении нагрузки между главной и вспомогательными фермами и о работе вспомогательных ферм.

Основы проектирования усилений

Причины, вызывающие необходимость усиления крановых металлоконструкций.

Следующие причины могут вызвать необходимость усиления крановых металлоконструкций:

  • увеличение грузоподъёмности козлового крана;
  • увеличение пролёта крана;
  • повреждение или механический износ отдельных элементов конструкции в процессе эксплоатации крана;
  • недостаточная пространственная жёсткость конструкций в целом или только некоторых элементов.

Материалы и данные, необходимые для проектирования усиления

Для составления проекта усиления должны быть представлены следующие материалы:

  • описание крана и техническое задание на усиление конструкции с указанием причины усиления (увеличение грузоподъёмности или пролёта, устранение конструктивных дефектов и т. п.) и перечислением требований, которым данный кран должен удовлетворять после его усиления (принадлежность крана к другой группе по режиму работы и т. п.);
  • чертежи усиливаемой конструкции с показанием на них всех изменений, внесённых в конструкцию, если они имели место во время изготовления, возведения или эксплуатации крана;
  • данные о фактическом состоянии крана с приложением дефектной ведомости и соответствующих выписок из крановой книги об авариях с краном, имевшихся при эксплуатации.

Выяснение соответствия конструкции имеющимся чертежам производится сравнением действительных размеров конструкции (высоты конструкции, пролёта, длины панели и т. п.) и сечений (толщина элементов, ширина, высота и т. п.) с данными чертежа. Все замеченные отступления от чертежей должны быть особо отмечены на этих чертежах. При отсутствии чертежей производится снятие с натуры всех размеров и сечений, с тем чтобы можно было составить подробные чертежи, без которых невозможно составление проекта усиления.

Данные о фактическом состоянии усиляемой конструкции крана должны установить физическое состояние конструкции и качество металла.

из которого конструкция изготовлена, для чего производят обследование и тщательный наружный осмотр крана и испытание металлоконструкции

В результате наружного осмотра могут выявиться следующие дефекты (недостатки) конструкции:

  1. конструктивные недостатки с точки зрения современных ТУ на проектирование кранов (например размещение уголков жёсткости в балках или планок в сжатых элементах, вяецентренность прикрепления раскосов к поясам, излишняя гибкость отдельных элементов и т. п.);
  2. производственно-монтажные дефекты, которые были допущены при изготовлении и монтаже конструкции (например слабая натянутость элементов, овальность заклёпочных дыр, постановка дефектных заклёпок и недоброкачественных сварных швов и т. п.);
  3. эксплуатационные дефекты, появляющиеся в процессе эксплуатации (например коррозия металла, его расслоение, появление трещин в местах сопряжения главных балок с концевыми, истирание рельса-шины и т. п.).

При разработке проекта усиления должны приниматься во внимание все материалы, полученные в результате обследования крана.

Объём и состав проекта усиления

При усилении конструкций по причине увеличения грузоподъёмности крана в пределах до 15—20% рекомендуется составлять рабочий проект минуя стадию технического проекта.

При увеличении грузоподъёмности крана свыше 15—20%, а также в случаях усилений с изменением принципиальной расчётной схемы конструкции или увеличением пролёта крана необходима предварительная разработка технического проекта. В этом случае рабочий проект разрабатывается после утверждения технического проекта в соответствующих инстанциях.

Проект усиления должен включать:

  • пояснительную записку с описанием и обоснованием принятого способа; усиления;
  • подробный статический и конструктивный расчёт;
  • чертежи конструкции усиления с соответствующими указаниями о последовательности производства отдельных операций (расклёпка узлов смена заклёпок или сварных швов и т. п.);
  • спецификацию;
  • описание организации работ по усилению с перечнем необходимых вспомогательных устройств или приспособлений;
  • календарный график выполнения работ;
  • смету.

При проектировании усилений крановых конструкций необходимо выполнение следующих положений:

  • в результате усиления конструкция должна отвечать требованиям современных ТУ на проектирование кранов и "Правилам" Котлонадзора;
  • конструкция усиления должна быть решена возможно проще;

     

  • количество труда, затрачиваемого на обработку единицы веса добавляемого металла, должно быть по возможности наименьшим;
  • монтажные работы, выполняемые при усилении, должны быть просты и занимать возможно меньше времени.

Общие требования, которые необходимо учитывать при подборе сечений элементов конструкции и устройстве узловых соединений, состоят в следующем:

  • для снижения трудоёмкости при изготовлении конструкции необходимо стремиться к тому, чтобы сечения элементов состояли из наименьшего количества простых частей; поэтому, где это возможно, следует применять отдельные прокатные, а не составные части;
  • применять сечения с равномерным распределением по ним материала; особенно это относится к мощным сечениям;
  • для облегчения условия изготовления конструкции следует пользоваться меньшим количеством профилей;
  • подобранное сечение должно обладать необходимой прочностью, жёсткостью и устойчивостью (на продольный изгиб); условия жёсткости и устойчивости особенно важны в связи с динамической работой крановых мостов;
  • сечения нужно подбирать так, чтобы было удобно компоновать узлы и стыки;
  • желательно применять сечения симметричные относительно вертикальной плоскости фермы, не допуская дополнительных эксцентриситетов;
  • сечения должны быть без узких щелей и мест, не доступных для осмотра, а также и таких, где может накапливаться атмосферная влага при работе крана на открытом воздухе;
  • при неправильной (с эксцентриситетом) центровке основных элементов в узлах следует по возможности, пользуясь добавлением усиляющих элементов, выправлять указанный дефект и во всяком случае не усугублять его.
  • для ввода дополнительных элементов в работу усиленной конструкции и улучшения совместной работы старого и добавляемого металла надлежит прикрепление усиливающих элементов в узлах и стыках производить не по действительному усилию, а по площади сечения.

Усиление конструкций крановых мостов может быть выполнено клёпкой или сваркой. Благодаря сварке во многих случаях удаётся получить довольно простую конструкцию усиления, для выполнения которой требуется затратить меньше времени, чем при применении клёпки. Кроме того, в некоторых случаях сварка обходится дешевле клёпки.

Другое преимущество сварки состоит в том, что при этом получается более жёсткое присоединение нового металла к старому и образуются более жёсткие узловые и стыковые соединения, вследствие чего добавляемый (новый) металл более энергично включается в совместную работу конструкции. Поэтому для усиляемых конструкций возможно рекомендовать применение комбинированных соединений.

Крановый мост, представляющий упругую конструкцию, находится под воздействием динамической нагрузки. Поэтому усилия, рассчитанные по правилам строительной механики, как для статически действующей нагрузки, должны быть приведены к действительным (рабочим) усилиям посредством специальных коэфициентов. Значения коэфициентов ψ для усилий от подвижной нагрузки и коэфициентов k для усилий от постоянной нагрузки (собственный вес и пр.) согласно временным нормам на проектирование кранов, даны в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Динамические коэфициенты ψ

Группа кранов

Режим работ

Скорость передвижения м/мин

Коэфициент ψ

 

С ручным приводом

Средний1,30К

До 60,0

1,00

 

С машинным приводом

Тяжёлый1,50К

Свыше 60

1,10

Таблица 2

Динамические коэфициенты k

Группа кранов

ежим работ

Скорость передвижения м/мин

Коэфициент k

 

С ручным приводом

Лёгкий

До 60,0

1,00

 

С машинным приводом

Средний и тяжёлый

Свыше 60

1,10

 

Таким образом, если статическое усилие (изгибающий момент, поперечная сила, продольное усилие) в элементе от действия подвижной (внешней) нагрузки обозначить через Sр, а усилие от постоянной нагрузки — через Sg, то расчётное усилие будет:

Sрасч. = ψSр + kSg,

Горизонтальные тормозные силы, возникающие при торможении грузовых тележек (т. е. при торможении вдоль моста), принимаются равными 1/7 от суммы давления всех приводных ходовых колёс тележки.

Сила поперечных ударов ходовых колёс крановой тележки о рельсы принимается равной от давления на каждое колесо.

Постоянная и подвижная нагрузки называются основными, тормозные нагрузки — дополнительными. Однако для тормозных связей тормозная нагрузка является основной.

Засчёт прогибов крановых мостов производится в предположении статического действия нагрузки (т. е. без учёта коэфициентов ψ и k).

Прогибы кранов определяются только от действия подвижной нагрузки (тележка + груз) и согласно „Правилам" Котлонадзора должны быть не более:

а) 1/600 длины пролёта для ручных кранов;

б) 1/800 длины пролёта для электрических кранов пролётом до 20,0 м включительно;

в) 1/1000 длины пролёта для электрических кранов пролётом более 20,0 м.

Применяемый металл и допускаемые напряжения

Металл, применяемый для усиления рабочих элементов конструкции, по механическим свойствам должен быть не ниже металла основной конструкции. Для второстепенных элементов (прокладки, планки или решётка сжатых стержней, элементы вспомогательных ферм и т. п.) могут быть использованы марки металла ниже марки основного металла.

Основные характеристики механических свойств сталей, применяемых для крановых металлоконструкций

Стали для сварных конструкций должны удовлетворять как по механическим свойствам, так и по содержанию углерода, серы и фосфора требованиям группы А ГОСТ 380-41.

В зависимости от марки основного материала конструкции должна применяться соответствующая сталь для заклёпок и болтов (табл. 4).

Механические качества наплавленного металла сварных швов.

Определение механических качеств наплавленного металла производится согласно ОСТ НКТП 7687/663; ударная вязкость определяется на образцах Менаже с надрезом глубиной 2 мм со стороны разделки шва.

Допускаемые напряжения для прокатных сталей, кг/см2

Если в процессе выполнения работ по усилению (при отсутствии подвижной нагрузки) некоторые элементы должны работать с перегрузкой (например вследствие появления промежуточной опоры и т. п.), то допускаемые напряжения в этом случае могут быть приняты не выше 0,8 от наименьшего предела текучести.

Если качество металла усиливаемой конструкции неизвестно, допускаемые напряжения назначаются лишь в результате лабораторных испытаний образцов и определяются по формуле:

σдоп. = kσ0,

где

k = (ε1σn1)/εσn;

здесь ε1 — относительное удлинение испытуемого образца старого металла; σn1 — временное сопротивление испытуемого образца старого металла;

ε — ближайшее меньшее относительное удлинение металла.

Образцы для испытания вырезаются по одному из каждого пояса балки (фермы) и из одного раскоса.

Если допускаемое напряжение получается ниже 1000 кг\см2, то вопрос о целесообразности усиления данной конструкции должен быть поставлен на рассмотрение соответствующих авторитетных организаций.

Для проверки степени наклёпа1 рекомендуется определять твёрдость испытуемого металла по методу Бринелля или Польди. Твёрдость при этом должна быть, не менее Зσn1 и не более 170 к г/мм2.

Механические свойства немаркированной стали, применяемой для конструкции усиления, устанавливаются лабораторными испытаниями образцов согласно ГОСТ 380-41. При этом предел прочности на разрыв σn должен быть не менее 32 кг/мм2, относительное удлинение ε — не менее 18%. При испытании на изгиб образца в холодном состоянии не должны появляться трещины при загибе на 180° вокруг оправки диаметром, равным двойной толщине материала.

Допускаемое напряжение для немаркированной стали принимается равным 1/3σn, но не более 1 200 кг/см2. Однако, если значение 1/3σn получается более 1 200 кг/см2, то допускаемое напряжение может быть принято, как для металла марки Ст. 3 при условии производства дополнительных испытаний на твёрдость (по методу Бринелля или Польди).

При этом твёрдость металла должна быть не менее Зσn и не более 170 кг/мм2.

В сжатых стержнях при проверке их устойчивости на продольный изгиб допускаемые напряжения уменьшаются на коэфициент φ продольного изгиба.

1 Подробно о явлениях наклёпа см. проф. Н. С. Стрелецкий, Основы ме-таллических конструкций; Лялин и Богданов, Усиление мостов.

Допускаемые напряжения для рабочих сварных швов

Для усиляемых крановых мостов, относящихся к группам II и III, допускаемые напряжения на сварные соединения уменьшаются на 15% по сравнению с табличными данными.

Ниже даны расчётные формулы в общем виде для напряжений в следующих возможных случаях.

а)Мост крана в период усиления находится на подкрановых путях и разгружающие опоры под кран не подведены.

В этом случае считают, что постоянная нагрузка

Σg = g1 + g2

(g1 постоянная нагрузка до усиления, g2 — добавляемая нагрузка от усиления) полностью воспринимается только первоначальным (основным) сечением F1, а подвижная нагрузка — усиленным (полным) сечением Для этого случая будем иметь (алгебраическая сумма):

σрасч = ψSр/φF2+kSΣg/φF1+(ψMλ/W2) ≤ σ1доп

где ψ и k — коэфициенты, принимаемые по табл. 1 и 2;

SΣg — усилие от постоянной нагрузки (момент, поперечная сила, продольное усилие);

Sр — то же от подвижной нагрузки;

φ — коэфициент, учитывающий ослабление поперечного сечения или уменьшение напряжения при продольном изгибе (по табл. 7);

F1 — геометрическая характеристика первоначального сечения (площадь сечения, момент сопротивления);

F2 — то же усиленного сечения;

ψMλ/W2 —  влияние местного изгибающего момента Mλ в верхнем поясе кра-

Наименование напря-При учёте основных нагрузок        При учёте основных и дополнительных нагрузок

жения при электродах с тонкой обмазкой   при электродах с толстой обмазкойпри электродах с тонкой обмазкой   при электродах с толстой обмазкой

астяжение Сжатие Срез900 1000 720      0,8σдоп/I 0,9σдоп/I  0,7σдоп/I1100 1200 870      0,8σдоп/II 0,9σдоп/II  0,7σдоп/II

новой фермы (учитывается в формуле только при проверке напряжений в верхнем поясе);

      W2 — момент сопротивления усиленного сечения верхнего пояса;

      σ1доп — допускаемое напряжение для основного металла.

Если при усилении ставится добавляемый металл с допускаемым напряжением σ2доп меньшим, чем для основного металла (σ2доп<σ1доп)1, то расчётное σдоп принимается равным σ1доп, как для основного металла. Но при этом надлежит производить отдельно проверку также и напряжения σр в усиленном сечении F2 при действии одной подвижной нагрузки:

σр = ψSр/φF2+(ψMλ/W2) ≤ σ1доп

Все обозначения — см. выше.

При действии знакопеременных усилий, например в средних раскосах крановых ферм, необходимо произвести проверку напряжения также и для случая усилия от одной только подвижной нагрузки, принимая допускаемое напряжение как для добавляемого металла:

σ = ψSр/φF2 ≤ σ2доп

б) Если крановый мост на время усиления каким-либо способом разгружается от воздействия постоянной нагрузки g1, то после усиления предполагается работа элементов с полным сечением F2.

Тогда будем иметь:

σрасч = (ψSр+kSΣg1+g2)/φF2+(ψMλ/W2) ≤ σ1доп

Здесь все обозначения соответствуют приведённым выше.

В прочих случаях выбор допускаемых напряжений аналогичен изложенному выше.

Проверку напряжений в заклёпках производят, исходя из предположения о равномерном распределении усилия между всеми заклёпками соединения. Если после усиления соединение получено комбинированным (заклёпки + сварка), то предполагают, что усилие воспринимается сварными швами и 60% заклёпок в случае, если конструкция на время усиления разгружена от постоянной нагрузки; в противном случае предполагают, что постоянная нагрузка передаётся заклёпками, а подвижная — сварными швами и  60% того числа заклёпок, которые остаются неиспользованными после расчёта их на постоянную нагрузку.

Напряжения в сварных швах определяются, как обычно.

Общие приёмы усиления конструкций

Можно в общем отметить два возможных приёма усиления крановых металлоконструкций.

1.Усиление посредством развития (увеличения) сечений всех или только некоторых элементов конструкции без изменения при этом основной принципиальной статической (расчётной) схемы усиляемой конструкции. Например, усиливая статически определимую крановую балку (фиг. 1, а) добавлением горизонтальных листов, получаем конструкцию (фиг. 1, б), аналогичную по статической схеме конструкции до усиления. Очевидно, также статическая схема статически определимой фермы (фиг. 2, а) не изменится, если все её (фермы) элементы или только часть из них (например крайние раскосы) будут заменены более мощными элементами (фиг. 2, б).

1 Вообще таким металлом производить усиление конструкции не рекомендуется.

Фиг. 1

Фиг. 2

Фиг. 1

2.Усиление посредством изменения расчётной схемы усиливаемой конструкции. Например, усиливая балку (фиг.1, а) при помощи шпренгеля (фиг. 3, а), изменяем статическую схему этой балки, преобразуя её из статически определимой в статически неопределимую. Также, например, добавляя в решётке статически определимой фермы обратные раскосы (фиг. 3, б, пунктир) или, применяя шпренгель (фиг. 3, в), получим статически неопределимые системы.

Усиление посредством развития сечений применяется в более простых случаях, например при увеличении грузоподъёмности крана в пределах до 15—20% или при необходимости увеличить жёсткость отдельных элементов конструкции.

Изменением статической схемы пользуются при необходимости значительного усиления конструкции, например при увеличении грузоподъёмности свыше 15—20 %.

Проектируя усиление крановых металлоконструкций, следует иметь в виду необходимость одновременного удовлетворения условий прочности, жёсткости и устойчивости (общей и местной) конструкции.

Достаточная прочность конструкции проверяется по правилам строительной механики и сопротивления материалов.

Необходимые жёсткость и устойчивость крановых конструкций в целом или отдельных элементов достигаются соответствующими конструктивными мероприятиями. Выполнение этих мероприятий необходимо для того, чтобы крановые конструкции не были излишне деформативны при действии вертикальных и горизонтальных (тормозных) сил.

^ Наверх