Результат интеллектуальной деятельности: Способ формирования рельсового блока из арочных рельсов с главой в замке арки

Предлагаемое изобретение относится к подкрановым балкам преимущественно с интенсивным, непрерывным (до 0,6…0,7 млн. циклов в год), тяжелым режимом работы и эксплуатации мостовых кранов 8К…7К [1, т. 2 с. 63, Колодцевые краны] в цехах черной и цветной металлургии. Рельсовый блок предназначен для значительного увеличения технического ресурса подкрановых балок.

Наиболее близким прототипом является арочный рельс, предложенный Неждановым К.К. и разработанный с аспирантами RU №2208570 [2], а также рельсы в патентах: [3…19]. Рельсовый блок, раскрытый в RU №2067075 [3], содержит основной рельс и два дополнительных рельса, расположенных симметрично один другому. Элементы рельсового блока выполняют прокатом на прокатном стане.

Известно, что рельсы и рельсовые блоки являются макрорегуляторами, которые наиболее сильно влияют на амплитуды колебаний локальных напряжений при действии подвижных сил от колес мостовых кранов: вертикальных , действующих с эксцентриситетом равным е=2 см, и горизонтальных (было ). В актуализированной редакции СНИП [21] каждое из горизонтальных воздействий колес кранов увеличено в два раза . Горизонтальные воздействий колес действуют на главу рельса с эксцентриситетом, равным высоте стандартного рельса h_Рел (ГОСТ 4121-62*) [22, с. 60].

Техническая задача изобретения - повышение технического ресурса и надежности подкрановых балок, момента инерции кручения рельсового блока в раза, момента инерции при изгибе рельсового блока раза и моментов сопротивления рельса при изгибе в ≈10 раз, а также упрощение технологического процесса изготовления его с использованием арочных профилей рельсов RU №2208570 [2], [11, 13, 15, 17].

Техническая задача по способу формирования рельсового блока из пары рельсов, предназначенных для монтажа на подкрановые балки, решена в следующей технологической последовательности.

Отличие в том, что на поточной линии подготавливают верхний трехглавый арочный рельс с главой в замке арки и двумя главами внизу на краях пят, а также нижний арочный рельс, обращенный главой вниз (одна глава), а пятами арки вверх.

На поточной линии автоматизировано снабжают пяты верхнего и нижнего рельсов продольными рядами соосных совпадающих друг с другом отверстий с регулярным шагом.

Подготавливают пару опорных швеллеров такой же длины, как пара рельсов, и образуют в полках этих швеллеров продольные ряды соосных совпадающих отверстий с таким же регулярным шагом, как в пятах упомянутых рельсов.

Монтируют в четыре отверстия в пятах нижнего арочного рельса четыре зуба-фиксатора, выступающие остриями вверх и вниз из пят, опускают сверху нижний арочный рельс, совмещают четыре зуба-фиксатора с четырьмя совпадающими отверстиями в верхних полках пары опорных швеллеров и безвыверочно монтируют нижний арочный рельс на пару швеллеров.

Затем опускают сверху верхний арочный рельс, совмещают верхние острия четырех зубьев-фиксаторов с четырьмя совпадающими отверстиями в пятах верхнего арочного рельса и безвыверочно монтируют его.

Вставляют в соосные отверстия винтовые высокоресурсные фрикционные шпильки, подкладывают шайбы, автоматизировано на поточной линии гайковертом навертывают гайки на винтовые шпильки [23].

Гайковертом с гарантией затягивают гайки высокоресурсного фрикционного соединения и образуют единый, неделимый, замкнутый рельсовый блок с овальной полостью внутри сечения.

Замкнутый рельсовый блок обеспечивает высокий момент инерции кручения блока в 50,4 раза больший, чем у стандартного рельса [22, с. 60] (ГОСТ 4121-62*), а момент инерции изгиба замкнутого рельсового блока в 22,3 раза больше. Замкнутый рельсовый блок опирается на три опоры.

На фиг. 1 показан четырехглавый рельсовый блок в разрезе. Рельсовый блок содержит верхний арочный рельс 1, который снабжен главой 2 в замке арки 3. Арка 3 имеет параболическое очертание и соединяет главу 2 с парой симметричных опорных пят 4.

Техническая задача решена тем, что рельсовый блок смонтирован из верхнего арочного трехглавого рельса 1, [2], обладающего естественной амортизирующей способностью. Глава 2 соединена аркой 3 с парой пят 4. На краях пят 4 имеются две боковые главы 5.

На поточной линии подготавливают верхний трехглавый арочный рельс 1 с главой 2 в замке арки и двумя главами 5 внизу на краях пят 4. Нижний арочный рельс 6 обращен главой 7 вниз, а пятами 8 арки вверх.

На поточной линии автоматизировано снабжают пяты верхнего рельса 1 и нижнего рельса 8 продольными рядами соосных совпадающих друг с другом отверстий с регулярным шагом.

Подготавливают пару опорных швеллеров 9 такой же длины как пара рельсов и образуют в верхних полках 10 этих швеллеров 9 продольные ряды соосных совпадающих отверстий с таким же регулярным шагом, как в пятах 4 верхнего рельса, а также в пятах 8 нижнего 6 рельса.

Монтируют в четыре отверстия в пятах нижнего 6 арочного рельса четыре зуба-фиксатора, выступающие остриями вверх и вниз из пят, опускают сверху нижний 6 арочный рельс, совмещают четыре зуба-фиксатора с четырьмя совпадающими отверстиями в верхних полках пары опорных 9 швеллеров и безвыверочно монтируют нижний арочный рельс.

Затем опускают сверху верхний арочный рельс 1, совмещают верхние острия четырех зубьев-фиксаторов с четырьмя совпадающими отверстиями в пятах нижнего арочного рельса 6 и безвыверочно монтируют его.

Вставляют в соосные отверстия винтовые высокоресурсные фрикционные шпильки 11, подкладывают шайбы, автоматизировано на поточной линии гайковертом навертывают гайки на винтовые шпильки. С гарантией затягивают гайки высокоресурсного фрикционного соединения и образуют единый, неделимый, замкнутый рельсовый блок с овальной полостью внутри сечения, обладающий высоким моментом инерции кручения блока в 50,4 раза большим, чем у рельса [22, с. 60] (ГОСТ 4121-62*) стандартного. Момент инерции изгиба замкнутого рельсового блока в 22,3 раза больше по сравнению со стандартным рельсом. Этот рельсовый блок опирается на три опоры.

Два арочных рельса (1 и 6) блока образуют единый, неделимый, полый рельсовый блок (соединение фрикционное). Гайки этого соединения затягивают расчетным крутящим моментом, чем исключают сдвиги арочных рельсов. Исключение сдвигов в соединении обеспечивает ему высокий технический ресурс [1, т. 1, с. 1401], [23, RU №2467075].

К рельсовому блоку также фрикционно прикреплены полками два швеллера. Эти швеллеры являются дополнительными опорами рельсового блока.

Горизонтальная ось X проходит по зоне плотного контакта друг с другом пят 4 верхнего арочного рельса 1 и пят 8 нижнего арочного рельса 6. Ряды отверстий параллельны продольной оси рельсового блока.

Фрикционные соединения выполнены винтовыми высокоресурсными шпильками 11 [23] из стали «38 ХС Селект». Шайбы и гайки шпилек 11 выполнены из такой же стали «38 ХС Селект» и оцинкованы для защиты от коррозии.

Сборку рельсового блока выполняют в заводских условиях на поточной линии [25] с использованием робота [25], оснащенного манипулятором [25].

Рельсовый блок предназначен для монтажа на высокоресурсную подкрановую балку из прокатных двутавровых профилей, например двухстенчатую с высокоресурсными фрикционными соединениями [23]. Сдвиги в фрикционном соединении исключены.

Рельсовый блок монтируют на подкрановую балку безвыверочно, совмещая заостренные зубы фиксаторы (не показано) с ответной парой отверстий в верхнем поясе подкрановой балки [19] подобно тому, как это делают в крышках редукторов.

Вставляют в совмещенные соосные отверстия винтовые высокоресурсные фрикционные шпильки 11 из стали «38 ХС Селект», подкладывают шайбы, автоматизировано гайковертом (с гарантированным усилием) навертывают гайки, затем с гарантией гайковертом затягивают гайки высокоресурсного фрикционного соединения и образуют единую неделимую высокоресурсную подкрановую балку. Сдвиги во фрикционном соединении исключены.

Отличие разработанного рельсового блока, сформированного из пары арочных рельсов и опирающегося на два опорных швеллера - его замкнутость. Замкнутый контур овальной трубчатой полости обеспечивает аномально высокое ( раза) увеличение момента инерции кручения J_Кp. рельсового блока по отношению к стандартному [22, с. 60] рельсу, что гарантирует отличную сопротивляемость блока воздействиям крутящих моментов М_Кр, возникающих от колес мостовых кранов.

Сборка рельсового блока автоматизирована и выполняется на поточной линии [24, с. 26], а также «Роботизированного технологического комплекса» гибкой производственной системы, в которой автоматически действующие роботы [25, с. 1021] реализуют всю технологию производства [25, с. 1021]. Легкость сборки обеспечена использованием роботов с манипуляторами [25, с. 688] и высокоресурсных фрикционных шпилек 11 [23, RU №2467075] из стали «38 ХС Селект» [26]. Автоматизирована затяжка гаек высокоресурсных фрикционных соединений с гарантией гайковертом. Исключение сдвигов в фрикционном соединении гарантирует монолитность рельсового блока.

Высокоресурсный рельсовый блок снабжен парой опорных швеллеров, которые обеспечивают монтаж рельсового блока на высокоресурсную подкрановую балку [22] соосно без эксцентриситета и четко фиксируют его на подкрановой балке.

По мере износа и истирания верхнего рельса рельсового блока он используется повторно переворачиванием его на 180° градусов.

Арочные рельсы [2] блока прокатывают на прокатном стане из износостойкой легированной рельсовой стали. Первоначально прокатывается плоская заготовка с утолщением в середине, а затем формируют арочный профиль.

Резьба на шпильках накатывается на прокатном стане поперечно-винтовой накаткой [23, RU №2467075], что значительно повышает выносливость [19, 24] шпилек по сравнению со шпильками, резьба на которых выполнена с помощью резца на токарном станке. Шпильки, шайбы и гайки оцинковывают и этим в 3…4 раза повышают коррозионностойкость [27] шпилек. Сборку рельсов производят автоматизировано с гарантированной затяжкой гаек гайковертами.

Отверстия в нижних полках пары опорных швеллеров соосны и совпадают с рядами отверстий в верхних поясах подкрановой балки.

Замкнутый полый рельсовый блок обладает аномально высоким моментом инерции кручения раза большим, чем у стандартного фигурного рельса [22, с. 60] (ГОСТ 4121-62*). Замкнутый рельсовый блок монтируют на верхний пояс высокоресурсной подкрановой балки соосно, с продольной осью верхнего пояса, то есть без эксцентриситета.

Опирают главу арочного элемента посередине верхнего пояса подкрановой балки, а нижние полки пары швеллеров симметрично относительно линии симметрии, верхнего пояса и неподвижно присоединяют пару швеллеров рельсового блока к верхнему поясу балки высокоресурсным фрикционным соединением в единую неделимую подкрановую балку с высоким техническим ресурсом.

Пример конкретной реализации

Пара арочных рельсов Ар Кр-140

А=π⋅а⋅b=π⋅32,2⋅11=1112,7521 см² - площадь;

A₀=π⋅а₀⋅b₀=π⋅30,7⋅9,5=916,2455 см² - площадь внутренней полости.

Момент инерции рельсового блока (первое слагаемое по внешнему контуру, второе - полости) .

Увеличение по отношению к одному фигурному рельсу раза. Момент инерции изгиба рельсового блока .

Экономический эффект достигнут в связи:

- С увеличением моментов инерции замкнутого рельсового блока при кручении раза [21], при изгибе раза, момент сопротивления рельсового блока в ≈2 раза.

- Это в свою очередь вызывает столь значительное снижение колебаний динамической, локальной составляющей напряжений в подрельсовой зоне стенки, что возникновение усталостных трещин в ней исключено.

- Рельсовый блок легко, безвыверочно закрепляется на верхнем поясе подкрановой балки фрикционным соединением с использованием шпилек и фиксируется по центру верхнего пояса без эксцентриситета.

- Упомянутый рельсовый блок надежно соединен с подкрановой балкой фрикционным соединением, поэтому он работает совместно с балкой и решает проблему преждевременного появления усталостных трещин в подрельсовой зоне стенки.

- Уменьшен износ как рельсов, так и колес кранов, с применением направляющих роликов [1, т. 2, с. 312] трение скольжения удалено, что привело к уменьшению расхода электроэнергии примерно в два раза.

- Обеспечен способ замены изношенного рельса переворачиванием рельсового блока на 180°.

- Возможна поступательная продольная надвижка рельсового блока с одного из торцов цеха без остановки работы кранов [19].

- Арочный рельсовый блок имеет естественную амортизирующую способность. Амортизация гасит динамику воздействий колес кранов.

Список литературы

1. 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. Т. 2. Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов [Текст] / М.П. Александров, М.М. Гохберг.

2. RU №2208570 Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов В.А. Арочный рельс Неждановых. М. Кл. В66С 6/00, 7/08. Бюл №.20. Зарег. 20.07 2003.

3. RU №2067075. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Подкрановая конструкция: Опубликован Бюл. №27 - 27.09.1996.

4. RU №2240276. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Трехглавый рельсовый блок, М.Кл В66С 7/08, Е01В 5/08, Бюл №32. 20.11.2004. Прототип.

5. RU №1745804. Нежданов К.К., Нежданов С.К. Рельсовый путь, М. Кл. Е01В. Бюл. №25 - 1992. Подкрановая балка трубчатая, подрельсовая подкладка из чугуна.

6. RU №2053187. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Рельсовая подкрановая конструкция. Действует с 27.1.1996.

7. RU №2062827. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Рельсовое стыковое соединение. Действует с 27.9.96.

8. RU №2081044. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Подкрановый рельс: Приоритет от 8.10. 1993. Бюл. №27 - 1996 (полый трехглавый).

9. RU №2081049. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Подкрановый рельс. Приоритет изобретения от 12.10.93. Бюл №16. 10.06.1997. Трехглавый.

10. RU №2089698. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Подкрановый рельс. Приоритет от 5.12.94. Бюл. №25 - 1997. Четырехглавый, полый.

11. RU №2099274. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Тамбовцев Е.Н., Васильев А.В. Устройство и способ усиления подкрановой конструкции. Бюл. №35, зарег. 20.12.1997. Арочный рельс + арка снизу.

12. RU №2099275. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Васильев А.В. Подкрановый путь. Бюл. №35 - 20.12.1997. Четырехглавый сборный.

13. RU №2099459. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Васильев А.В. Рельсовый путь. Бюл. №35 - 20.12.1997. Арочный рельс сборный + двутавр снизу.

14. RU №2125536. Нежданов К.К., Васильев А.В., Нежданов А.К., Епифанов А.Р. Устройство для усиления крепления рельса. М. Кл. В66С 7/08. Бюл. №3, 27.01.1999.

15. RU №2126768. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Тамбовцев Е.Н. Способ и устройство усиления подкрановой балки. Бюл. №6. Зарег. 27.02.1999. Рельс арочный трехглавый. Трубчатый цилиндрический амортизатор. Надвижка.

16. RU №2128265. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Попченков И.В. Рельсовое крепление. Бюл. №9 - 27.03.1999.

17. RU №2151731. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Попченков И.В. Крановый рельс для трубчатых подкрановых балок. М.Кл. В66С 7/00. Бюл №.18. Зарег. 27.06.2000. Рельс арочный несимметричный.

18. RU №2183186. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Васильев А.В. ПОДКРАНОВО-РЕЛЬСОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ. М.Кл. В66С 6/00, 7/00, Бюл. №16. Зарег. 10.06.2002.

19. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета / дисс. на соискание уч. степени доктора техн. наук - Пенза, 1992.

20. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

21. СНиП 2.01.07-85*. Актуализированная редакция «Нагрузки и воздействия»: - М.: 2013.

22. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций Днепропетровск, «Промiнь», 1975. (ГОСТ 4121-62*).

23. RU №2467075. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Артюшин Д.В. Способ проката горячекатаной арматуры периодического профиля. С2, МПК C21D 8/08. Опубл.: 20.11.2012 ,Бюл. №32.

24. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Решение проблемы выносливости подкрановых балок при тяжелом режиме эксплуатации. [Текст]: моногр. / - Пенза: ПГУАС. 2015-124 с.

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

26. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР: - М.: 1990 - 96 с.

27. Справочник в двух томах: «Защита от коррозии старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений». Под редакцией д-ра техн. наук А.А. Герасименко. Москва, «Машиностроение», 1987. T. I, с. 688. Т. 2, Москва, «Машиностроение», 1987 г., с.784.