Определение рационального сечения ездовой балки козлового крана

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ ЕЗДОВОЙ БАЛКИ КОЗЛОВОГО КРАНА

Антон Владимирович ВАВИЛОВ, д-р техн. наук, профессор,

Митрофан Митрофанович ГАРОСТ, канд. техн. наук, доцент,

Алексей Адамович ШНАРКЕВИЧ, магистрант

Белорусский национальный технический университет

Рассмотрены основные виды конструкций ездовых балок козло­вых кранов. На основании проведенного прочностного расчета опре­делено рациональное сечение ездовой балки, обеспечивающее повышение ее надежности, снижение массы и снижение затрат при изготовлении.

Ключевые слова: ездовая балка, козловой кран, конструкция, рациональное сечение, гофра, ЗО-модель, двутавровая балка.

Козловые краны эксплуатируются на открытых погрузочно-разгрузочных площадках, складах, лесозаготови­тельных и лесоперерабатывающих предприятиях, площадках для монтажа строительных сооружений и оборудо­вания, перегрузки крупнотоннажных контейнеров и длинномерных грузов в условиях переменных температур при атмосферных осадках и различной скорости ветра.

Наиболее важной и сложной при проектировании козловых кранов явля­ется разработка металлоконструкций мостов и ездовых балок. Эти элемен­ты, кроме нагружения от собственного веса крана и веса груза, воспринимают перекосные нагрузки от неравномерно­го движения крановых опор.

Для изготовления мостов козловых кранов используют различные профи­ли с ездовыми балками, основные виды которых показаны на рис. 1. Наиболее распространенным исполне­нием являются коробчатые балки с прямолинейными стенками (рис. 2) [1].

Их элементы технологичны в изготов­лении и сборке, осуществляемой, как правило, при помощи сварки, однако ввиду большого количества сваривае­мых элементов значительно увеличи­вается трудоемкость и себестоимость изготовления балок.

Верхний и нижний поясы 1 балок коробчатого сечения делают толще стенок 3 для оптимизации массы [2]. При больших пролетах определяющим критерием обеспечения несущей спо­собности становится не прочность, а жесткость, что требует увеличения высоты сечения балки при относитель­но невысоких номинальных напряже­ниях. Местная устойчивость высоких стенок в сжатой зоне не обеспечивает­ся. Поэтому их разделяют продольны­ми и поперечными ребрами 2, а также диафрагмами 4, незначительно увели­чивая массу балки. Но при этом суще­ственно повышается трудоемкость и себестоимость изготовления балок, а при тяжелых режимах циклического нагружения снижается их сопротивле­ние усталости. Последнее обстоятель­ство требует принятия конструктивно-­технологических мер повышения выносливости или снижения номи­нальных напряжений в сечении за счет увеличения толщины стенки [2].

Одним из способов сокращения количества дополнительных элементов в коробчатых балках является использование стенок с гофрами, а также криволинейных или многогран­ных стенок. По результатам анализа существующих исполнений ездовых балок предлагается конструкция сечения балки (рис. 3) с двумя штампован­ными криволинейными боковыми стен­ками, на которых на равных расстояни­ях по высоте выполнено по 15 про­дольных изгибов. Такая форма позво­ляет сэкономить на элементах жестко­сти, значительно удешевить производ­ство. Между собой боковые стенки сое­диняются посредством прокатной ква­дратной или прямоугольной трубы при помощи электрозаклепок. К верхней и нижней полкам привариваются элек­тросваркой боковые стенки. Штам­пованные профили обеспечивают наиболее рациональные с точки зрения прочности и жесткости формы сечения и экономию металла.

Чтобы подтвердить повышенную несущую способность балок с криволи­нейными стенками, необходимо произ­вести их прочностной расчёт методом предельных состояний или конечных элементов (МКЭ) [1,4]. Последний наи­более эффективен, позволяя модели­ровать работу металлоконструкции под нагрузкой в условиях, приближенных к реальным, с последующей корректи­ровкой размеров поперечного сечения с целью получения оптимальной кон­струкции. Он исключает возможность возникновения дефектов металлоконструкции в эксплуатации ещё на ста­дии её проектирования.

В программе КОМПАС 3D при помо­щи библиотеки АРМ FEM, реализую­щей МКЭ, проведены сравнительные расчеты трех сечений ездовых балок, схемы закрепления которых показаны на рис. 4: из двутавра №30 Б2 ГОСТ 19281; с криволинейными стенками и спроектированной нами конструкции, на боковых стенках которой выполнены изгибы. Для расчета ездовые балки разбиты на конечные элементы. Услов­ная нагрузка принята равной 20 кН.

По результатам расчета максимальные значения эквива­лентных напряжений в двутавровой балке равны 5,44 МПа (рис. 5), в балке с криволинейными стенками - 3,64 МПа (рис. 6), в ездовой балке, имеющей в сечении две криволи­нейные боковые стенки с изгибами на них и прокатные эле­менты - 5,38 МПа (рис. 7).

Это позволяет сделать вывод, что спроектированная и предлагаемая нами конструкция ездовой балки имеет напря­жения, не превышающие их значения в широко применяе­мых известных конструкциях, но по сравнению с ними отличается меньшей массой. Масса 1 м пог. спроектированной ездовой балки составляет 46,6 кг, тогда как массы аналогич­ных по длине двутавровой балки и балки с криволинейными стенками равны 50 и 83,6 кг соответственно.