Orlova_Proektirovanie_svarnoy_metallokonstrukcii_mostovogo_krana.RED

2.1.1 Методы расчета

Различают три метода расчета кранов: по допускаемым напряжениям, по предельным состояниям и по вероятности безотказной работы, из которых при проектировании мостовых кранов применяются главным образом два первых метода. Расчет металлических конструкций мостов производят по методу допускаемых напряжений или по методу предельных состояний.

В основе расчета по допускаемым напряжениям лежит гипотеза идеально упругого тела, для которого закон Гука о прямой пропорциональности между напряжениями и деформациями считается справедливым до начала текучести материала.

Метод расчета по предельным состояниям основывается на анализе процессов перехода конструкций в одно из состояний, при котором они теряют способность сопротивляться внешним воздействиям или перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям.

Детали механизмов и элементы металлоконструкций рассчитывают при действии статических и динамических напряжений на прочность

(статическую прочность), а при большом числе циклов изменения напряжений на выносливость (усталостную прочность). Отдельные детали

(например, валы), а также металлоконструкции рассчитывают на жесткость.

При расчете металлоконструкций определяют статические прогибы и периоды колебаний крановых мостов, а также время затухания этих колебаний. Статический прогиб моста характеризует его статическую жесткость, а время затухания колебаний – динамическую.

Если при расчете элементов, испытывающих переменные нагрузки,

принимать в качестве расчетной величины максимальную нагрузку и считать ее действующей постоянно, то это вызовет неоправданное

21

увеличение массы крана. Поэтому современные методы расчета деталей механизмов и металлоконструкций учитывают переменность действия нагрузок. Для этого при расчете на выносливость определяются эквивалентные нагрузки или эквивалентное число циклов нагружений.

2.1.2 Расчетные нагрузки для металлоконструкций

Нормативные величины нагрузок принимаются на основании технического задания. В случае неполноты исходных данных нагрузки принимают по аналогии с существующими конструкциями или на основании литературных данных.

Вертикальные нагрузки определяются собственным весом металлоконструкции моста, весом механизма передвижения, троллеев,

электрооборудования и аппаратуры, весом кабины крановщика, весом тележки и весом груза.

Нагрузки, создаваемые массой пролетной части моста, рабочих площадок, троллеев, а также трансмиссионным валом у механизма передвижения крана с центральным приводом принимают равномерно распределенными, а нагрузки, создаваемые массой приводов механизмов передвижения и массой кабины крановщика, – сосредоточенными. Вес тележки и вес груза являются сосредоточенными подвижными

нагрузками.

	На рис. 4 приведены графики, характеризующие массу	GМ
		2

металлических конструкций половин сварных коробчатых двухбалочных мостов (без концевых балок) из стали Ст3 в зависимости от длины пролета кранов среднего режима работы. Для кранов легкого режима работы значение массы следует уменьшить на 10 %, а для кранов тяжелого режима

– увеличить на 10 %. Для мостов, изготовляемых из низколегированных сталей, массу нужно уменьшить на 10…20 %.

22

Вес решетчатых (ферменных) мостов малых пролетов (до 16 м)

практически тот же, что и коробчатых, при больших пролетах решетчатые мосты легче коробчатых на 10…40 % (большие значения – для малой грузоподъемности).

Масса элементов металлоконструкций зависит от размеров их сечений, которые вследствие погрешностей при прокате могут превышать номинальные размеры, предусмотренные соответствующими стандартами.

Поэтому расчетная величина нагрузок определяется с учетом возможности ее увеличения из-за превышения размеров и вследствие других,

технологических, отклонений при изготовлении:

Р = Рнγ, (7)

где Р – расчетная величина нагрузки, кН; Рн – нормативная величина нагрузки, кН; γ – коэффициент надежности по нагрузке (коэффициент перегрузки).

При грузоподъемности крана до 12,5 т γ = 1,1; при большей грузоподъемности γ = 1,05.

Вес механизма передвижения крана принимается по чертежам и спецификациям. При отсутствии данных можно использовать усредненные значения. Для крана среднего режима работы при грузоподъемности Q = 5,0…12,5 т можно принимать вес привода Gпр = 3…4 кН; при грузоподъемности Q = 20…50 т - Gпр = 5…7 кН; при Q = 80…320т - Gпр =

8…16 кН. Коэффициент надежности по нагрузке для веса привода может быть принят γ = 1,1…1,2. Вес открытой кабины крановщика составляет

8…10 кН, закрытой кабины с электрооборудованием – 12…16 кН.

Коэффициент перегрузки для веса кабины рекомендуется γ = 1,1…1,2.

Вес тележки крана принимается исходя из технического задания или из спецификации. При отсутствии исходных данных ориентировочный вес

23

тележки (Gт ,кН) может быть принят (табл. 3) в зависимости от заданной грузоподъемности крана (Q,т) [5].

Рис. 4. Вес половины пролетной части двухбалочного крана

24

							Таблица 3
	Ориентировочные значения веса тележки крана
Q,т	5	8	12,5	12,5/3,2	20/5	32/8		50/12,5
Gт ,кН	15	25	35	50	70	90		130
Q,т	80/20	100/20	125/20	160/20	200/32	250/32		320/32
Gт ,кН	380	420	440	650	700	780		1150

Расчетные значения силы давления ходовых колес тележки определяются с учетом инерционных нагрузок, воспринимаемых канатом механизма подъема при подъеме и опускании груза. Расчетная сила давления на каждое из четырех колес тележки крана определяется по формуле:

	Р	Pт nQ PQ	,	(8)
		4

где Pт – сила давления ходового колеса тележки от действия массы тележки (кН); PQ – сила давления ходового колеса тележки от действия массы груза (кН); nQ – коэффициент перегрузки, учитывающий возможность превышения при эксплуатации массы груза (табл. 3).

					Таблица 4
Динамический коэффициент перегрузки
		Значение nQ при режимах работы
Грузоподъемность крана, т			механизма подъема
		Л		С	Т
До 5		1,3		1,4	1,5
Св. 5 до 20		1,2		1,3	1,4
Св. 20 до50		1,1		1,2	1,3
Св. 50 до80		1,1		1,2	1,3
Св. 80 до300		1,1		1,1	1,2
Св. 300		1,1		1,1	1,1
При подъеме и торможении		груза,	при торможении		крана, при

ударах ходовых колес на стыках рельсов возникают динамические

нагрузки, тогда

25

	Р	Pт nQ PQ
		4	,	(9)

где ψ – коэффициент динамичности.

Для кранов среднего режима работы принимается ψ = 1,01…1,05;

для кранов тяжелого режима ψ = 1,04…1,15.

Горизонтальные инерционные нагрузки возникают при разгонах и торможениях крана, зависят от величин ускорений (замедлений). Величина горизонтальной инерционной нагрузки может быть определена по формуле:

Риг = Рв а/g,	(10)
где Риг - горизонтальная инерционная нагрузка, кН; Рв	- вертикальная

нагрузка от массы соответствующего элемента крана, кН; а – ускорение

(замедление) при разгоне (торможении) крана, м/с2; g – ускорение свободного падения, м/с2.

При отсутствии данных о параметрах приводов механизмов передвижения крана можно принять среднюю величину горизонтального ускорения крана аср = 0,25…0,50 м/с2.

2.1.3 Выбор рабочих сечений элементов конструкции

Вкурсовом проекте предлагается рассчитать решетчатую

(ферменную) конструкцию моста крана.

В качестве рабочих элементов (стержней) ферм используется профильный прокат, трубы, а также составные стержни из профильного проката.

Замкнутые трубчатые и коробчатые сечения обладают большим радиусом инерции и могут воспринимать более высокие сжимающие нагрузки, чем открытые угловые и швеллерные профили. Наиболее конструктивно удобным, а потому и наиболее распространенным является

26

сечение, составленное из двух уголков в виде тавра. Сечения всех элементов ферм могут быть также образованы из одиночных уголков.

Расход стали при этом такой же, как и на обычные фермы, но трудоемкость изготовления меньше, поскольку уменьшается число деталей и не требуется кантовка при сварочных работах. Фермы из одиночных уголков не имеют щелей и хорошо окрашиваются, поэтому их можно применять в помещениях с агрессивной средой.

При изготовлении пролетных частей кранов в виде ферм наряду с прокатными профилями применяют трубы, что позволяет использовать более длинные стержни и сократить расход металла на дополнительные связи. Это особенно важно для стержней, сечения которых выбираются из условий предельной гибкости. К числу преимуществ использования труб относится возможность применения стенок меньшей толщины.

Поверхность трубчатой фермы примерно на 30 % меньше поверхности фермы из проката. Это не только уменьшает ветровую нагрузку на кран, но и снижает эксплуатационные расходы за счет уменьшения площади окрашиваемой поверхности. Применение трубчатых стержней дает возможность на 25…30 % уменьшить вес конструкции по сравнению с конструкциями из элементов других типов. Ограниченность их применения объясняется дефицитом труб, необходимых для разных отраслей промышленности. Трудоемкость сварки трубчатых конструкций примерно на 40 % выше, чем конструкций из угловой стали, а стоимость конструкций из них на 8…15 % выше, чем конструкций из уголков, хотя стоимость труб примерно на 20 % выше стоимости углового проката. Это объясняется резким уменьшением количества вспомогательных элементов

(фасонки, прокладки и т.д.).

Стержни ферм работают в основном на осевые усилия: на растяжение или сжатие.

27

Концевые балки кранов небольшой грузоподъемности изготавливают из двух сварных двутавров или швеллеров, между которыми устанавливают на неподвижных осях ходовые колеса.

Узлы ферм образуются с помощью фасонных листов, к которым с двух сторон прикрепляются стержни поясов и решетки. Сечения могут быть скомпонованы из равнополочных и неравнополочных уголков,

поставленных широкими или узкими полками в стороны; расстояние между уголками должно быть достаточным для пропуска фасонки.

2.1.4 Расчет элементов ферм

При проектировании и расчете фермы принимаются следующие допущения:

–все стержни фермы – прямолинейные;

–внешние силы (нагрузки), действующие на ферму, лежат в плоскости этой фермы и приложены только в ее узлах;

–узлы фермы представляют собой шарниры;

–собственный вес стержней фермы незначителен по сравнению с нагрузками, и им можно пренебречь.

С учетом этих допущений каждый стержень фермы будет испытывать только осевые усилия (сжатие или растяжение) и не будет подвергаться поперечному изгибу. Это позволяет сделать ферму более легкой по сравнению с балкой, используемой для перекрытия такого же по величине пролета.

Усилия в элементах ферм определяются по правилам, изученным в разделе «Элементы строительной механики».

Проектирование фермы включает следующие этапы:

- выбор статической схемы;

28

-выбор профилей и определение размеров стержней из условий прочности, устойчивости и гибкости;

-проверка жесткости фермы;

-определение конструкции и параметров узлов из условий прочности и сопротивления усталости сварных соединений.

Выбор типов поперечных сечений и их расчет осуществляется с учетом требований прочности, равноустойчивости во всех направлениях,

необходимой жесткости, а также минимального расхода металла

(минимальной массы). Основные рабочие элементы следует изготовлять из листа толщиной не менее 4 мм, уголков – не менее 45×45×5 мм.

2.2 Рекомендации по проектированию сварных соединений в

фермах

Сварка расчетных металлоконструкций, элементов кранов и контроль качества сварных соединений должны выполняться в соответствии с требованиями государственных стандартов и других нормативных документов [15].

При сварке и прихватке элементов расчетных металлоконструкций,

приварке площадок, перил и лестниц на кране должны допускаться сварщики, выдержавшие испытания в установленном порядке.

2.2.1 Сварные соединения

В соответствии с правилами Госгортехнадзора при разработке конструкций сварных соединений необходимо руководствоваться следующим рекомендациями:

1) конструкция сварных соединений должна предусматривать возможность удобного доступа для выполнения швов и их контроля;

стыковые швы по возможности должны иметь доступ для выполнения сварки с обеих сторон;

29

2) угловые швы тавровых соединений в сечении, как правило,

должны иметь вогнутое или плоское очертание поверхности с плавным переходом к основному металлу;

3) наибольший катет углового шва k не должен превышать 0,7S1, где

S1 – толщина наиболее тонкого из соединяемых элементов;

4) угловые швы допускаются с обеих сторон элемента, если его толщина в 1,5 раза превышает катет шва k. При толщине элемента менее указанной швы должны быть смещены один относительно другого на расстояние l ≥ 2S1;

5) прерывистые швы на элементах кранов, подверженных коррозии

(краны, предназначенные для работы на открытом воздухе, в химических цехах и т.п.), не допускаются;

6)в соединениях несимметричных профилей швы следует размещать так, чтобы их общий центр тяжести совпадал с центром тяжести привариваемого профиля (если это невозможно, необходимо учесть напряжения, вызванные эксцентриситетом);

7)выполнение клепаных и сварных соединений в одном узле не допускается.

В сварных конструкциях следует избегать устройства стыка, при котором между соединяемыми элементами остаются зазоры, так как это вызывает концентрацию напряжений. Фланговые швы должны, где это возможно, заменяться лобовым. Усталостная прочность шва повышается,

если его поверхность подвергнуть механической обработке. Размеры сварных швов рекомендуется принимать минимально допустимыми по условиям прочности и не более чем наименьшая толщина соединяемых деталей. Наибольшая расчетная длина флангового шва в соединениях,

работающих на продольную силу, не должна превышать 40 катетов шва.

30