Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГАРАНТИРОВАНИЯ ДОСТАТОЧНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕСУРСА ПОДКРАНОВОЙ БАЛКИ

Изобретение относится к гарантированию высокого технического ресурса и выносливости подрельсовой зоны подкрановых балок с тяжелым 8К, 7К режимом работы мостовых кранов и интенсивной эксплуатацией.

Рельс является макрорегулятором технического ресурса и выносливости подрельсовой зоны балок [1]. Основными его характеристиками являются моменты инерции: кручения - и изгиба - рельса [1], [2], [3], [4], [5], [6], которые гарантируют безопасный срок эксплуатации подкрановых балок.

Применяемые в настоящее время стандартные рельсы [7, с. 60] по ГОСТ 4121-62* с фигурным очертанием контура сечения имеет недостаточную величину моментов инерции рельса кручения - и изгиба , что приводит к преждевременному появлению усталостных трещин в подрельсовой зоне балок. Кроме того, в действующем сортаменте используются завышенные значения моментов инерции рельсов при кручении , рассчитанные Митюговым Е.А. [1]. Например, полученное им значение момента инерции при кручении для рельса КР-140 завышено в 2,8 раза [4].

Известны стандартные двутавровые толстостенные крановые рельсы равноценные стандартным (ГОСТ 4121-62*) [7, с. 60] по площади сечения А^рел и моменту инерции изгиба .

В статьях [2…4] показано, что моменты инерции кручения стандартных рельсов завышены и по формулам, приведенным в «Справочнике по сопротивлению материалов» [8, с. 29], получены точные значения кручения рельсов .

Момент инерции кручения рельса определен с равноценной заменой стандартного рельса симметричным толстостенным двутавровым профилем, имеющим такую же площадь сечения А^рел и момент инерции изгиба . Толщина каждой из полок и стенки одинакова (Фиг. 1). Моменты инерции кручения стандартных рельсов опубликованы [9, с. 239] и приведены в табл. 1.

В [4] показано, что момент инерции кручения стандартного рельса (ГОСТ 4121-62*) экстремально увеличивается при увеличении толщины шейки рельса. Рост продолжается вплоть до превращения фигурного профиля рельса в равновеликий по площади квадрат. Для рельса КР 140 (А^рел=195,53 см²) экстремальное увеличение момента инерции при кручении достигает 2,8 раза.

Еще большее увеличение момента инерции кручения рельса и при изгибе будет достигнуто при прокате рельса портального профиля при неизменной материалоемкости его по отношению к стандартному рельсу (ГОСТ 4121-62*) и формировании рельсового блока, состоящего из портального рельса, соединенного в единое целое с верхним поясом прокатной подкрановой балки фрикционным соединением, исключающим сдвиги.

Техническая задача изобретения - экстремальное увеличение момента инерции кручения рельсового блока в 16,2…10,42 раз с одновременным увеличением момента инерции изгиба рельсового блока в (5,2…6,4 раза) по отношению к стандартному рельсу, при такой же материалоемкости всей рельсобалочной конструкции.

Техническая задача по способу повышения момента инерции кручения рельсового блока в 16,2…10,42 раз, а при изгибе в (5,2…6,4 раза), при неизменной материалоемкости решена следующим образом.

Способ формирования рельсового блока для мостового крана, состоящего из портального рельса, соединенного с подкрановой балкой, включает изготовление портального рельса.

Портальный рельс изготавливают путем непрерывного литья портальной в сечении заготовки рельса из стали марки 35ГС. Затем заготовку рельса охлаждают до температуры в пределах 950…1050°С прокатки заготовки и по рольгангам подают в клеть прокатного стана.

Заготовку пластически деформируют с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 7,8, обжатием ее валками с четырех сторон и обеспечением портального сечения рельса, имеющего равные площади сечения главы и пары пят.

Портальный рельс монтируют на верхний пояс подкрановой балки. При монтаже пару пят рельса монтируют на верхний пояс подкрановой балки с помощью подрельсовых подкладок, выполненных из чугуна.

При монтаже портальный рельс присоединяют фрикционными шпильками из легированной стали к подрельсовым подкладкам и к верхнему поясу подкрановых балок. Проводят затягивание гаек шпилек с исключением сдвига и образования единого замкнутого контура рельсового блока.

Непрерывно-литую заготовку рельса отливают на машине непрерывного [10, с. 799] литья из легированной марганцовистой стали марки 35ГС [10, с. 632] портальной в сечении, имеющей следующий химический состав, мас.%: углерод 0,30…0,37; марганец 0,8…1,2; кремний 0,6…0,9; хром не более 0,30; никель не более 0,30; медь не более 0,30; вредные примеси серы не более 0,045; фосфор не более 0,040; азот не более 0,012; железо остальное.

Остужают непрерывно-литую портальную заготовку до температуры 950…1050°С пластического состояния и по рольгангу, поступательно, транспортируют ее в клеть прокатного стана.

Всесторонне обжимают портальную заготовку валками прокатного стана с четырех сторон с суммарным коэффициентом вытяжки при прокате не менее 7,8 и пластически деформируют до проектных размеров сечения ее портала. Режут портальные в сечении рельсы на мерные длины, остужают их и калибруют по кондуктору отверстия в паре пят рельса.

По кондуктору образуют в поясе прокатной подкрановой балки два ряда отверстий для соединения рельса с верхним поясом балки высокоресурсными шпильками [11], соединяют пару пят рельса с полкой подкрановой балки фрикционным соединением в единое целое.

С гарантией затягивают гайковертом гайки шпилек и образуют единый замкнутый портальный рельс с продольной полостью внутри, и увеличивают моменты инерции кручения в 16,2…10,42 раз, а при изгибе в 5,2…6,4 раза по сравнению со стандартным по ГОСТ 4121-62* рельсом.

Рельсы прокатывают на прокатном стане из стальных заготовок непрерывного литья, легированных хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием (Cr, Ni, Mo, W, V).

На фиг. 1 показан портальный в сечении рельс, равноценный по площади сечения стандартному рельсу по ГОСТ 4121-62* КР140 [7, с. 60]. Высота сечения портального рельса 183,64 мм и ширина главы 153,71 мм. Площадь сечения 195,53 см²; на фиг. 2 - фрикционное неподвижное соединение рельса с верхним поясом подкрановой балки I100Б6 (ГОСТ 6183-52) с помощью высокоресурсных шпилек [11] с гайками и шайбами.

На фиг. 1 показан портальный в сечении рельс, который снабжен главой 1, парой симметричных шеек 2, а также парой симметричных, непрерывных по длине рельса пят 3, выступающих в бока наружу. Сечение портального рельса (стенки вертикальны) имеет вертикальную линию симметрии. Площадь сечения пары пят 3 портального рельса равна площади сечения главы 1 рельса. Портальные рельсы закаливают, режут на мерные длины и отправляют потребителю.

Пяты 3 портального рельса опираются на подрельсовую подкладку 4, имеющую углубление для пят 3. Подрельсовую подкладку 4 изготавливают из низкомодульного материала, например базальта или чугуна имеющих модуль упругости примерно в два раза более низкий, что позволяет гасить динамику воздействий на рельсы колес мостовых кранов. Портальный рельс неподвижно прикрепляют вместе с чугунной подрельсовой подкладкой к подкрановой балке с помощью уголковые профилей 5, непрерывных по длине рельса и балки.

Каждый уголковый профиль 5 снабжен регулярным шагом отверстий для высокоресурсных винтовых шпилек 6 [11] с гайками и шайбами. Винтовые шпильки 6 проходят сквозь уголковые профили 5, чугунную подрельсовую подкладку 4 и сквозь верхний 7 пояс подкрановой балки. Соединение фрикционное - сдвиги исключены.

Подрельсовая подкладка 4 имеет два ряда отверстий, соосных двум рядам отверстий в верхнем 6 поясе подкрановой балки из стандартного прокатного двутаврового профиля, например I100Б6 (ГОСТ 6183-52) [8, с. 92], и соединена с подкрановой балкой с помощью высокоресурсных фрикционных шпилек 6 с гайками и шайбами 8. Портальный рельс и подрельсовую подкладку 4 монтируют на верхний 7 пояс прокатной подкрановой балки соосно, то есть рельс 1 установлен без эксцентриситета.

Технологично портальный рельс и подрельсовую подкладку 4 монтировать на верхний 7 пояс подкрановой балки в заводских условиях на поточной линии. Возможен монтаж и на монтажной площадке с использованием фрикционного [11] высокопрочного неподвижного соединения, которое осуществляют высокоресурсными шпильками 6 [11, 13].

Отверстия в подрельсовой подкладке 4 и в верхнем 7 поясе подкрановой балки соосны. Высокоресурсные шпильки 6 имеют шайбы 8 и гайки 9 из легированной стали. Тормозную балку 11 присоединяют к подкрановой 8 балке также фрикционным неподвижным соединением.

На фиг. 2 (вид сбоку) показано фрикционное неподвижное соединение портального рельса с верхним поясом 7 подкрановой балки I100Б6 (ГОСТ 6183-52) [8, с. 92] с помощью высокоресурсных шпилек 6 [11].

Гайки 10 высокоресурсных шпилек 6 затягивают с гарантией гайковертом и образуют единый портальный рельс с замкнутой продольной полостью внутри рельса, а также двумя малыми полостями по бокам портального рельса. Замкнутые продольные полости внутри рельса обеспечивают увеличение момента инерции при кручении по сравнению со стандартным рельсом в 16,2…10,42 раз. Увеличение момента инерции изгиба также значительно, в 5,2…6,4 раза.

Крепление портального рельса к прокатной подкрановой балке следует осуществлять с помощью высокоресурсных шпилек 6 [11], винтовые рифы на которых накатаны поперечной накаткой на прокатном стане. Гайки 9 высокоресурсных шпилек 6 затягивают гайковертом (сдвиги исключены).

Пример конкретной реализации. Кручение открытого контура

Выполним замену кранового рельса КР140 [12, с. 60] по ГОСТ 4121-62* портальным в сечении рельсом с такой же площадью сечения: А_Рел=195,5 см².

Портальный рельс неподвижно соединен с верхним поясом прокатной подкрановой балки I100Б6 (ГОСТ 6183-52) толщиной стенки t_ст=2,1 см; полки t_П=3,95 см и образует единый рельсовый блок. Соединение фрикционное высокоресурсными шпильками [11]. Гайки шпилек затянуты расчетным крутящим моментом гайковертом. Сдвиги исключены

В сборке портальный рельс и верхний пояс подкрановой балки образуют единый замкнутый контур, работающий при кручении в 16,2…10,42 раза лучше, чем открытые не замкнутые профили портальных рельсов.

Внешние габариты портального рельса h×b=18,63×25,74 см.

Площадь сечения портального рельса А=195,53 см², такая же, как у стандартного (ГОСТ 4121-62*). Площади сечения: главы портального рельса равна площади сечения пары пят t_Гл = t_Пят, А_Гл = 2А_Пят = 15,371×5 = 76,855 см²; пары стенок: 2А_Ст = А-(А_Гл+2А_Пят) ⇒ 2А_Ст = 195,53-76,855×2 = 41,82 см².

П 18,364×25,74, А = 195,53 см².

Глава: А_Гл = 2А_Пят = 15,371×5 = 76,855, n = 15,371/5 = 3,074 ⇒ η = 0,7924 ⇒

Вычисляем собственные моменты инерции кручения элементов рельса [8, с. 30]. Главы: .

Пара шеек портального рельса: площадь шеек: 2А_Ш=2×8,364×2,5 = 41,82 см².

n = 8,364/2,5 = 3,3456 ⇒ η = 1,1355⇒J_Kp = η×t⁴ = 1,1355×2,5⁴ = 44,36⇒2J_Kp.Ш = 88,71 см⁴.

Пара пят: 2А_Пят=2×7,6855×5=76,855 n=7,6855/5=1,8371 ⇒ η = 0,3046 ⇒

⇒ .

Пояс прокатной балки: 40,6×3,95 см; n=40,6/3,95=10,28>4 ⇒ η=1,1355 ⇒

.

Сумма собственных моментов инерции при кручении элементов портального рельса A=195,53 см² и верхнего пояса:

.

Кручение замкнутого контура

Замыкаем портальный рельс П 18,364×25,74 (фиг. 1) снизу листом верхнего пояса прокатной подкрановой балки I100Б6 ГОСТ 6183-52 [8] с толщиной пояса: t_П=3,95 см; стенки t_ст=2,1 см. Сдвиги в соединении исключены. Вычисление момента инерции портального рельса при кручении производим по формуле, приведенной в «Справочнике по кранам» М.М Гохберга [14, с. 387]:

,

где в числителе - квадрат площади А, заключенной внутри контура сечения, очерченного по замкнутой осевой линии контура, s - стороны периметра контура; берется по всей длине замкнутой осевой линии; γ - поправочный коэффициент, принимаемый равным 1,0 для сечений, исключающих сдвиги и 0,3 для клепаных соединений; h_конт=18,374-2,5+0,5·3,95=17,874 см; b_котн=12,87 см - высота и ширина контура сечения; t - толщины элементов.

Сумма собственных моментов инерции элементов сечения:

.

Увеличение момента инерции портального рельса при кручении по отношению к стандартному рельсу ГОСТ 4121-62*, с учетом собственных моментов инерции при кручении:

раза. Эффект высокий.

Примечание: положительное влияние низкомодульной подрельсовой подкладки не учтено.

Другие портальные рельсы:

.

A=67,3 см².

.

В табл. 1 приведен сортамент толстостенных двутавровых рельсов, равноценных стандартным рельсам [12, с. 60] с такой же площадью сечения, как в ГОСТ 4121-62*.

В табл. 2 приведен сортамент прямоугольных рельсов, равноценных по площади А и моменту инерции J_X толстостенным двутавровым рельсам.

Площадь сечения главы портального рельса равна площади сечения пары пят t_Гл = t_Пят, А_Гл = 2А_Пят = 15,371×5 = 76,855 см².

Площади сечения А и моменты инерции изгиба портальных рельсов совпадают со стандартными рельсами (ГОСТ 4121-62*) [12, с. 60]. Моменты инерции кручения при замыкании контура экстремально возрастают. Рельсы с площадью сечения меньше 81,13 см не рекомендуем к использованию.

В табл. 3 приведен сортамент портальных в сечении рельсов с такой же площадью сечения, как в ГОСТ 4121-62*[12, с. 60]. В табл. 4 приведен сортамент замкнутых блоков портальных рельсов.

Сравнение табл. 1 и табл. 4 показывает, что неподвижное фрикционное соединение портального в сечении рельса с верхним поясом двутавровой прокатной подкрановой балки по ГОСТ 6183-52 [8, с. 94] в единый рельсовый блок вызывает экстремальное возрастание моментов инерции кручения в 16,2…10,42 раза при одинаковой материалоемкости. Эффект высокий. Моменты инерции при изгибе рельсового блока также увеличиваются в 5,2…6,4 раза. Моменты инерции изгиба , увеличиваются значительно. Дополнительно введен портальный в сечении рельс «Порт max» с max характеристиками кручения и изгиба.

Экстремальное возрастание моментов инерции кручения позволило пропорционально в 16,2…10,42 раза снизить локальные циклически действующие напряжения в подрельсовой зоне стенки подкрановых балок, что обеспечило такое значительное снижение локальных циклически действующих напряжений, что преждевременное появление усталостных трещин в подрельсовой зоне стенки стало невозможным.

Изгиб замкнутого контура

Замыкание портального рельс снизу листом верхнего пояса прокатной подкрановой балки ГОСТ 6183-52 I100Б6 [8] благоприятно влияет на характеристики замкнутого контура.

Оценим это благоприятное влияние для портального рельса П 18,364×15,37 (A=195,53 см²). Толщина верхнего пояса прокатной балки I100Б6 [8] t_Bп=3,95 см, ширина пояса 40,6 см, толщина стенки t_ст=2,1 см, площадь сечения пояса А_Вп = 40,6×3,95 = 160,37 см².

.

Соединение рельса с верхним поясом подкрановой балки фрикционное неподвижное с помощью высокоресурсных шпилек. Затяжка гаек исключает сдвиги и создает единый рельсовый блок.

Вычисление момента инерции рельсового блока, состоящего из портального рельса и верхнего пояса прокатной балки, производим [5] по следующему алгоритму. Определяем:

Смещение «C_Блок» главной оси рельсового блока вниз по отношению к оси портального рельса ;

Второстепенный момент инерции рельсового блока относительно оси х рельса ;

Главный момент инерции .

1) Для П_max 22×16,5, A=246,14 см².

;

;

;

.

2) Для П 18,364×15,371, А=195,53 см².

;

;

;

.

3) Для П 17×13,0; А=150,44 см².

;

;

;

.

4) Для П 14,906×13,45 А=113,32 см².

;

;

;

;

5) Для П 12,914×9,419 А=81,13 см².

- ;

- ;

- .

Рельсы с площадью сечения меньше 81,13 см² не рекомендуем к использованию. Моменты инерции при изгибе рельсового блока увеличиваются в 5,2…6,4 раза. Эффект высокий.

Проблема преждевременного появления усталостных трещин в подрельсовой зоне стенки [5], [6], [9], [15] решена с помощью портальных рельсов, соединенных с подкрановой балкой фрикционным неподвижным соединением с помощью высокоресурсных шпилек с гайками и шайбами. Сдвиги исключены, что и создает единый рельсовый блок.

Следовательно, замена стандартных крановых рельсов на равноценные рельсы портального профиля сечения приводит к высокому экономическому эффекту. Технологический процесс проката портальных в сечении рельсов также упрощается.

В шестидесятых годах XX века на железнодорожном транспорте происходила массовая замена рельсов Р38 на Р65. Такая замена позволила значительно до 40% уменьшить износ рельсов и за счет этого уменьшить расход стали на замену изношенных рельсов ежегодно до 40% [15, с. 20]. Позднее, в семидесятых годах, рельсы Р65 были заменены рельсами Р75, в результате был получен значительный экономический эффект.

При замене стандартных крановых рельсов ГОСТ 4121-76 на рельсы портального сечения такой же материалоемкости будет получен экономический эффект не менее чем на железнодорожном транспорте.

Список литературы

1. Митюгов Е.А. К определению моментов инерции крановых рельсов, - М. Строительная механика и расчет сооружений, №5, 1968 г.

2. Нежданов К.К., Мамонов В.В., Карев М.А. О завышении моментов инерции рельсов при кручении, - // Сб. Материалы XXXI Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» Ч. 2, ПГАСА, г. Пенза, 1999 г.

3. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Вычисление моментов инерции рельсов при кручении, - М. Строительная механика и расчет сооружений, №3. 2008 г.

4. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Гарькин И.Н. Экстремальное повышение моментов инерции рельсов при кручении. - М.: Строительная механика и расчет сооружений, №6, 2011 г.

5. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Пенза, 1992.

6. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета [Текст]: моногр. / К.К. Нежданов. - Пенза: ПГУАС, 2008. - 288 с. (Лауреат конкурса на медали и дипломы РААСН строительных наук 2011 г., 16.02.2012 г.).

7. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций. - Днепропетровск: Проминь, 1975 - 238 с.

8. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: «НАУКОВА ДУМКА» - 1975 - 304 с.

9. Нежданов, К.К. Новые принципы конструирования П-образной рамы здания [Текст]: моногр. / К.К. Нежданов, А.А. Кузьмишкин, А.К. Нежданов, П.В. Куничкин - Пенза: ПГУАС, 2013. - с. 255. ISBN 978-5-9282.

10. Большой энциклопедический словарь. (БЭС). Главный редактор A.M. Прохоров. НАУЧНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО «БОЛЬШАЯ РОССИЙСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ» М., 1998. С. 1456.

11. RU 2467075 С2 Нежданов К.К., Нежданов А.К., Артюшин Д.В. Способ проката горячекатаной арматуры периодического профиля. МПК C21D 8/08 (2006.01). В21Н 1/18 (2006.01), Е04С 5/03 (2006.01). Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2306989 С2. 27.02.2007. RU 67140 U1, 10.10.2007, RU 2201818 С1. 10.04.2003. Опубликовано: 20.11.2012. Бюл. №32.

12. М.М. Сахновский Справочник конструктора строительных сварных конструкций [Текст] - Днепропетровск: Промiнь, 1975. - 273 с.

13. СНиП II-23-81* Стальные конструкции. - М., 1990.

14. Справочник по кранам: В 2 т. Т. 1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций / В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др. Под общ. ред. М.М. Гохберга. - М.: Машиностроение, 1988 - 536 с.

15. Лехно И.Б. Новые конструкции рельсов и креплений. - М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1959, 60 с.

16. Сабуров В.Ф. Закономерности усталостных повреждений и разработка метода расчетной оценки долговечности подкрановых путей производственных зданий: Дисс. докт. техн. наук. - ЮУрГУ, Челябинск.: 2002. - 388 с.

17. Васильченко В.Т., Рутман А.Н., Лукьяненко Е.П. Справочник конструктора металлических конструкций. - Киев: «БУДШЕЛЬНИК» - 1980 - 286 с.

18. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Кузьмишкин А.А. «Способ гарантирования заданной выносливости К-образного сварного шва в подрельсовой зоне стенки двутавровой подкрановой балки». - М.: Строительная механика и расчет сооружений, №1, 2008 г.