Совершенствование метода расчёта пролетных балок мостовых кранов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Калабин, Павел Юрьевич

• Калабин, Павел Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калабин, Павел Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ

1.1 Анализ металлоконструкций мостовых кранов

1.2 Обеспечение технологичности конструкции

1.3 Существующая методика проектирования металлических конструкций мостовых кранов

1.3.1 Выбор материала

1.3.2. Выбор геометрических параметров металлоконструкций

1.3.3. Методы расчётов на прочность

1.3.4. Расчетные сочетания нагрузок

1.3.5. Определение нагрузок на металлоконструкцию крана

1.4. Анализ массогабаритных характеристик пролётных

металлоконструкций

1.5 Обоснование выбора марки стали для несущих металлических

конструкций мостовых кранов

1.6. Анализ существующих методов оптимизации параметров поперечного сечения пролётных балок мостовых кранов

1.7 Цель и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ МЕТАЛЛОЁМКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ МОСТОВЫХ КРАНОВ

2.1 Влияние металлоёмкости на технологичность конструкции

2.2 Методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов

2.3 Уточнение значения коэффициента оребрения

2.4 Выводы

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЛЕТНЫХ БАЛОК МОСТОВЫХ КРАНОВ

3.1 Математическая модель расчёта оптимальных размеров попереч-

ного сечения пролетной балки

3.1.1. Обоснование необходимости расчета поперечного сечения пролётной балки с поясами разной толщины

3.2 Условия работоспособности металлической конструкции мостового крана

3.3 Метод расчёта оптимальных параметров поперечного сечения пролётной балки

3.4 Программное обеспечение расчёта металлических конструкций с оптимальными массогабаритными показателями

3.5 Сравнительный анализ технологичности металлических конструкций пролётных балок

3.6 Выводы

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВ-

НИЯ

4.1 Формирование информационной базы данных для проектирования пролётных балок мостовых кранов

4.2 Исследование напряжённо-деформированного состояния пролётных балок, с размерами поперечного сечения, полученными предлагаемым методом

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчёта пролетных балок мостовых кранов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Мостовые краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, по-грузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. Они имеют большую номенклатуру типоразмеров и исполнений, их грузоподъемность достигает 800 т. Наиболее широко используются краны грузоподъемностью от 5 до 50 т.

Работоспособность, надёжность и безопасность эксплуатации кранов во многом зависит от качества исполнения их металлических конструкций. Несущим элементом металлической конструкции мостового крана является пролётная балка. При необходимых прочностных характеристиках пролётные балки должны быть технологичными, иметь малую стоимость и массу. Масса изделия машиностроения в значительной степени определяет его стоимость (выше 70 %) и сокращение расхода металла на 1 % ведет к снижению себестоимости изделия до 5 %. Особое значение металлоемкость имеет для мостовых кранов, в которых доля металлических конструкций достигает 80 % их металлоемкости.

В комплекс работ по снижению металлоемкости изделия входит внедрение научно обоснованных методов его расчетов, включая вариантное проектирование и оптимизацию. При этом, как правило, оптимальные металлические конструкции в целом не могут быть получены на основе оптимальных частных решений их элементов, так как в составе металлических конструкций отдельные элементы могут утрачивать оптимальные значения своих параметров.

Анализ металлоёмкости существующих металлических конструкций пролётных балок мостовых кранов показал, что разность в массах пролётных балок, предназначенных для одного типоразмера мостового крана, но изготовленных на разных предприятиях составляет до 15%. Поэтому совершенствование метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мое-

товых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 219 (шифр программы 2010-219001.073, договор № 13.037.31.0023) и при поддержке Гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники.

Цель работы заключается в снижении металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов на основе проектирования пролетных балок с оптимальными массогабаритными показателями.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования\

1) выполнить анализ конструкций и методов расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

2) разработать методику оценки металлоёмкости металлической конструкции мостовых кранов;

3) разработать математическую модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов;

4) разработать усовершенствованный метод расчёта пролётных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями и реализующее его программное обеспечение;

5) построить параметрический ряд и номограммы значений геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями;

6) осуществить практическую реализацию результатов научных исследований на предприятии, выпускающем грузоподъемные машины.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах теории расчета несущих металлических конструкций и

метода конечных элементов. Для проведения расчетов использовались САПР SWR Simulation и вычислительная среда Mathcad-14.

Объект исследования - пролётные балки мостовых кранов.

Предмет исследования — взаимосвязь геометрических параметров поперечного сечения, условий работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов.

В первом разделе проведен анализ конструктивных форм металлических конструкций мостовых кранов; рассмотрен процесс проектирования несущих металлических конструкций мостовых кранов, выявлены его недостатки; обоснована целесообразность снижения металлоемкости пролётных балок мостовых кранов.

Мосты мостовых кранов разнообразны по своим конструктивным формам. Они могут быть листовыми и решетчатыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили двухбалочные мосты листовой конструкции с коробчатыми пролетными и концевыми балками.

В существующей научно-технической литературе на основе многолетнего опыта проектирования, изготовления и эксплуатации, дан ряд рекомендаций по выбору параметров пролётных балок, устанавливающих связь между пролетом крана и основными параметрами балки, такими как: ширина, высота, база крана и т. п. При этом диапазон выбора размеров поперечного сечения достаточно широк, что не позволяет найти оптимального решения при выборе необходимых параметров. В работе был проведен анализ массогабаритных характеристик пролётных балок мостовых кранов грузоподъёмностью 20 тонн группы режима работы А5 при пролётах 10,5 м, 16,5 м, 22,5 м, 28,5 м, 34,5 м, спроектированных на разных предприятиях. Данные анализа показывают, что разность в массах балок составляет до 15 %.

Разработке метода оптимизации параметров пролётных балок мостовых кранов посвящены работы многих авторов, в том числе В.Н. Демокри-

това, Н.С. Летникова, Л.Г. Серлина, М.М. Гохберга, С.А. Соколова, С.А. Казака и других ученых. Однако, в существующих методах оптимизации:

- находятся оптимальные частные решения отдельных элементов (высоты стенки, ширины поясов, толщины поясов), которые в составе конструкции пролётной балки могут утрачивать оптимальные значения своих параметров;

- не учитывается условие динамической жесткости;

-нет возможности нахождения оптимальных параметров поперечного сечения балки, требующей расчёта на сопротивление усталости.

Поэтому задача разработки метода расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов с оптимальными массогабарит-ными показателями не нашла окончательного решения.

На основании вышеизложенного определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе рассмотрен вопрос влияния металлоёмкости на технологичность металлической конструкции мостового крана, разработана методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана.

Отработка металлической конструкции мостового крана на технологичность производится выполнением отдельных мероприятий, направленных на более полное использование конструкторских и технологических возможностей, а также на повышение технико-экономических показателей производства. Одним из параметров технологичности является металлоемкость, снижение которой будет приводить к повышению технологичности металлической конструкции мостового крана.

Разработанная методика оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана отличается от известных тем, что существующие зависимости применимы для пролётных балок, имеющих постоянное поперечное сечение на всей длине пролёта. Однако, как правило, пролётные балки выполняются со скосами, расположенными по краям

балки в местах соединения моста с концевыми балками. Учет величины скоса позволяет повысить точность оценки металлоёмкости металлической конструкции мостового крана. Показано, что, исходя из опыта проектирования, величину скоса пролётной балки следует принимать приблизительно равной величине 0,11, ...0,2Ь. Так же в результате выполненных исследований автором установлено, что усредненное значение коэффициента оребрения следует принимать равным кд=\,\, в отличие от значения, заданного интервалом кд = 1,1... 1,3, приведенного в существующей научно-технической литературе.

В третьем разделе разработана математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, позволившая усовершенствовать метод расчёта параметров поперечного сечения пролётной балки на основе учета местного давления от ходового колеса тележки, условия динамической жёсткости и сопротивления усталости. Приведены результаты снижения металлоёмкости пролётных балок мостовых кранов

Четвёртый раздел посвящен практической реализации результатов работы, а также база данных, необходимая для проектирования высокотехнологичных металлических конструкций пролётных балок.

В заключении обсуждены итоги работы и сформулированы общие выводы по диссертации.

В приложении представлены листинг программы расчета высокотехнологичных конструкций пролётных балок мостовых кранов и документ о внедрении результатов работы в ООО «Стройтехника» г. Донской, Тульской области.

Основные положения, выносимые автором на защиту: 1. Методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мое-

товых кранов, материалом металлической конструкции и геометрическими поперечного сечения пролётной балки.

2. Математическая модель расчёта оптимальных параметров поперечных сечений пролётных балок мостовых кранов, обеспечивающих снижение металлоемкости металлических конструкций мостовых кранов.

3. Метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями на основе совмещения проектного и проверочного расчётов, позволяющий производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины.

Научная новизна. Впервые реализован параметрический синтез пролётных балок мостовых кранов на основе многовариантного анализа геометрических параметров пролётных балок и совмещения проектного и проверочного расчётов.

Практическая значимость работы заключается в создании методического и программного обеспечения, предназначенного для расчета металлических конструкций мостовых кранов, что сокращает время проектирования и обеспечивает энергоресурсосбережение при их производстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ТулГУ, на XIII Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2009), на 14 Международной научно-техническй конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, 2009 г.), на XII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения» (Орел, 2010 г), на II Международном научно-практическом семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых (С-Пб., 2011), на VI молодежной научно-практической конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г.

Тула, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 107 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 127 страниц, в том числе 37 рисунков и 12 таблиц. Объем приложений составляет 8 страниц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Анцеву В.Ю. и научному консультанту к.т.н., доценту Толоконнико-ву A.C. за научные консультации при подготовке диссертационной работы, за помощь, поддержку, полезные замечания и предложения, высказанные в ходе обсуждения диссертационной работы.

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ.

1.1 Анализ металлоконструкций мостовых кранов.

Мостовым краном называется [36] грузоподъемная машина, передвигающаяся по рельсам на некотором расстоянии от земли (пола) и обеспечивающая перемещение груза в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Мостовой кран. 1-грузовая тележка; 2-главная балка; 3-рабочая площадка; 4-подтележечный рельс; 5-подкрановый рельс

Мостовые краны являются одним из наиболее распространенных средств механизации различных производств, погрузочно-разгрузочных и складских работ. Перемещаясь по путям, расположенным над землей, они не занимают полезной площади цеха или склада, обеспечивая в тоже время

обслуживание практически любой их точки.

Мосты мостовых кранов разнообразны по своим возможным конструктивным формам. Они могут быть листовыми и решетчатыми, одноба-лочными и двухбалочными.

Наибольшее распространение в настоящее время получили двухба-лочные мосты листовой конструкции с коробчатыми главными и концевыми балками, которые обладают рядом преимуществ.

Решетчатая конструкция обладает наименьшей массой, наименьшей высотой от головки подкранового рельса до рельса на мосту и хорошей горизонтальной жесткостью. Ее недостатки: большая трудоемкость изготовления, более низкое сопротивление усталости. В настоящее время мостов такой конструкции изготавливают мало.

Коробчатая конструкция поддается механизации изготовления, обладает хорошим сопротивлением усталости, меньшей общей высотой. Мосты такой конструкции в настоящее время являются наиболее распространенными. Таким образом, решение задачи оптимизации конструкции листовых (коробчатых) пролетных балок мостовых кранов является актуальным.

Высота стенки, примерно равная высоте балки, выбирается в зависимости от ее статической схемы. Наибольшая высота Н ограничивается условием получения балки минимальной массы, т. е. диктуется экономическими соображениями; наименьшая — условием ограничения прогиба и времени затухания колебаний.

Оптимальная высота балки может быть определена расчетом. Использовать полностью материал балки — это значит осуществить соответствующий изгибающему моменту определенный момент сопротивления IV. Такая задача имеет множество решений.

Толщина стенки определяется [36] условиями ее устойчивости и прочности, причем, обычно из технологических условий толщина принимается не менее 4 мм. При работе балок в условиях повышенной коррозии

толщина стенки принимается не менее 8 мм. Чем меньше толщина стенки, тем, как правило, балка легче и экономически выгоднее. Укрепление стенок для их устойчивости с помощью ребер жесткости осуществляется достаточно просто, и поэтому необходимость обеспечения устойчивости не является препятствием к применению тонкостенных балок.

Пояса сварных балок состоят из листов. Наиболее целесообразна конструкция с поясными листами, толщина которого при углеродистой стали не должна превышать 15 мм, а при низколегированной стали — 10 мм для мостовых кранов общего назначения. Минимальное расстояние между стенками коробчатой балки определяется условиями приварки внутренних диафрагм. Это расстояние зависит от высоты балки и может приниматься в пределах 300—500 мм для балок высотой 800—1500 мм; в зависимости от потребной мощности пояса оно может быть увеличено.

Если коробчатая балка не имеет боковых креплений на всей длине пролета, она кроме прочности должна обладать необходимой жесткостью в боковом направлении и на кручение. Для этого практика машиностроения выработала для коробчатых мостов два критерия [19]:

- отношение длины пролета балки L к расстоянию между вертикальными стенками, В должно быть не более 50;

- отношение высоты двухстенчатой балки Н к расстоянию В не должно превышать 3,5.

В связи с широким распространением в строительном машиностроении листовых конструкций встречаются балки, у которых размеры поперечных сечений не малы по сравнению с их длиной и отношение ширины к их длине во много раз больше, чем это принято, например, для коробчатых балок.

У таких широких и коротких балок возникающие при изгибе нормальные напряжения в поясах по их ширине распределяются неравномерно. Аналогичная задача имеет место в расчете рам тележек, когда верхние пояса балок тележки заменяются сплошной листовой зашивкой и возника-

ет вопрос о том, какую ширину листа следует вводить в расчет в качестве пояса для данной балки. Наибольшие напряжения в полке по оси стенки будут такими же, как и в верхних волокнах стенки, а дальше по ширине полки они будут убывать.

Изменение сечения балок по длине способствует экономии металла. Характер изменения изгибающих моментов никогда не требует по длине балки постоянного сечения, подобранного по наибольшему изгибающему моменту. Поэтому в целях экономии металла широко применяются балки переменного сечения с изменением высоты балки, площади сечения поясов или того и другого одновременно. Минимальную массу имеет балка равного сопротивления с криволинейными очертаниями по высоте и ширине. Однако изготовление таких балок экономически нерационально, и поэтому криволинейные очертания заменяются прямолинейными. При изменении толщины или ширины поясов более толстые или более широкие листы должны иметь на концах скосы с уклоном не более 1: 5 [36].

Параметры сечения балки должны обеспечивать выполнение условий работоспособности, долговечности и жесткости. Конкретный перечень требований зависит от назначения и условий работы конструкции.

1.2 Обеспечение технологичности конструкции.

Прежде чем приступить к проектированию изделия, необходимо досконально изучить задачи, для решения которых создаётся это изделие, и чётко определить его функциональное назначение. Чтобы точно сформулировать функциональное назначение изделия, надо хорошо знать сам процесс, который предстоит выполнять создаваемому изделию. Именно с этого следует начинать подготовку производства нового изделия.

Ясное представление о функциональном назначении изделия является основой для разработки технического задания (ТЗ) на изделие. Техническое задание разрабатывают на основе результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ, анализа передовых дости-

жений науки и техники — как отечественной, так и зарубежной. В ТЗ включают показатели технического уровня и качества изделия, в том числе и базовые показатели технологичности. Показатели, включаемые в ТЗ, условно делятся на две категории [25]:

технические показатели — устанавливают степень пригодности изделия к использованию;

- экономические показатели - устанавливают требования к уровню затрат труда и средств достижения показателей первой категории.

Показатели второй категории, включающие в основном показатели технологичности, характеризуют свойства конструкции, имеющие большое значение для экономики. Недооценка влияния этих показателей на качество изделия в целом приводит к неоправданно большим затратам средств и труда на производство и эксплуатацию изделий. Под технологичностью следует понимать совокупность свойств конструкции изделия, определяющих её приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании и ремонте для заданных показателей качества, объёма выпуска и условий выполнения работ [30].

Каждая конструкция несёт в себе информацию о технологии её изготовления в конкретных производственных условиях [78]. Таким образом, что в одних определённых условиях, характеризуемых, например, специализацией цехов, наличием того или иного оборудования и средств технологического оснащения, освоением специальной технологии, квалификацией исполнителей, может быть рациональным, технологичным, в других может оказаться неприемлемым. К производственным условиям следует отнести также программу выпуска, в зависимости от которой и разрабатывается технологический процесс изготовления изделия. Конструкция, технологичная в условиях единичного или мелкосерийного производства, оказывается нетехнологичной в условиях массового производства, и наоборот. Кроме того, постоянное внедрение в производство достижений научно-технического прогресса, освоение новых методов изготовления изде-

лий расширяет технологические возможности и ещё более увеличивает степень относительности самого понятия технологичности как комплекса свойств.

Конструктор, проектируя изделие и стремясь в максимальной степени обеспечить технологичность его деталей и изделия в целом, должен отдавать себе отчёт в том, что технологичная заготовка ещё не обеспечивает технологичности изготавливаемой из неё детали, а технологичные детали не гарантируют технологичности сборочной единицы. С другой стороны, стремление уменьшить трудоёмкость сборки может привести к резкому возрастанию затрат на механическую обработку деталей, а излишнее стремление к снижению общей трудоёмкости изготовления изделия может привести к повышению расходов на техническое обслуживание и ремонт, которые перекроют полученную ранее экономию по заработной плате, - в целом это экономически не выгодно. Только комплексная оценка как свойства, проявляющегося в сферах производства и эксплуатации (с учётом совокупных затрат труда и средств), является наиболее эффективным и объективным средством, позволяющим принять решение по выбору варианта конструкции изделия с целью повышения его качества.

Обеспечение технологичности является частью работы по созданию конструкции, органически связанной со всеми этапами конструкторской подготовки производства. Наибольшее значение имеют конструктивные решения на первых стадиях проектирования, когда определяются основные конструктивно- технологические признаки конструкции, предопределяющие в основном её технологичность. На стадии эскизного проектирования, например, отработка конструкции изделия на технологичность выражается в технологическом контроле конструкторской документации и должна включать решение следующих задач [30]:

- окончательный выбор варианта рациональной конструктивной схемы изделия, в которой определены основные составные части, компоновка изделия, членение, методы соединения и общие габаритные размеры;

выявление составных частей, которые могут быть стандартными или унифицированными, либо же могут быть заимствованы из освоенных в производстве образцов;

- выявление условий общей сборки изделия и возможности параллельных сборок его составных частей;

- выявление номенклатуры используемых конструкционных материалов и возможности её сокращения;

выявление условий технического обслуживания и ремонта изделия и возможности сокращения затрат на их проведение;

выявление новых технологических процессов, требующих новых средств технологического оснащения;

принципиальная оценка технологичности основных составных частей конструкции.

Для успешного решения всех этих задач необходимо ориентироваться на конкретные производственные условия предприятия-изготовителя разрабатываемого изделия, которое определено в ТЗ. В технически обоснованных случаях в целях повышения качества изделия и производительности труда следует настаивать на изменении предприятия изготовителя (в условиях единичного и мелкосерийного производства) или на необходимости технического перевооружения указанного предприятия (в условиях крупносерийного и массового производства).

Основные принципы анализа технологичности конструкции (ТК):

1. Технологичность конструкций как совокупность её свойств, отражающих влияние конструкции на затраты труда при изготовлении и эксплуатации, закладывается ещё на ранних этапах проектирования.

2. Основными и универсальными показателями ТК при оценке нескольких вариантов являются [29]:

трудоёмкость изготовления изделия ТИ ; технологическая себестоимость СТ.

3. Методы сборки располагаются по убывающей производительно-

сти

труда сборочных работ в следующем порядке:

- с полной взаимозаменяемостью;

- с неполной взаимозаменяемостью;

- с групповой взаимозаменяемостью;

- с регулировкой компенсаторами;

- с результативной обработкой или механизированной пригонкой;

- с пригонкой индивидуальной, выполняемой вручную.

4. Принцип узловой взаимозаменяемости.

Реализация этого принципа означает перенесение центра тяжести сборочных работ с общей (окончательной) сборки на узловую (предварительную), что способствует сокращению цикла сборочных работ вследствие расширения фронта работ. Обеспечение узловой взаимозаменяемости даже не по всем, а хотя бы по некоторым основным параметрам приводит к упрощению процесса общей (окончательной) сборки, к снижению требуемой для сборки квалификации работников.

При решении достаточно сложных задач возникает ряд противоречий [100], трудностей, затрудняющих конструктора в принятии решения о выборе наилучшего варианта. Эти трудности, говоря кратко, сводятся к следующему.

1. Варианты, образующие множество допустимых решений, разнообразны по своей структуре. При этом не исключено, что действительно наилучший вариант не содержится во множестве известных, уже реализованных структур, а лежит вне его и может составить предмет изобретения.

2. Для каждой структуры можно предположить множество допустимых вариантов, различающихся между собой по числовым значениям параметров.

Так, для коробчатого сечения балки при фиксированном моменте сопротивления существует бесчисленное множество сочетаний линейных размеров и толщин поясов и стенок, реализующих требуемый момент со-

противления.

3. Состав требований, предъявляемых к объекту, весьма широк, а сами эти требования находятся часто между собой в диалектическом противоречии: изменение параметров объекта в направлении улучшения одних его свойств, приводит к ухудшению других.

В этих условиях выбор наилучшего, оптимального варианта уже невозможен на уровне интуиции конструктора, а требует специальной методологии.

Конструктивные формы деталей образуются сочетанием различных геометрических поверхностей. Отдельные такие поверхности являются элементами деталей.

Способы изготовления деталей часто требуют введения в их конструкцию элементов исключительно технологического характера [106]. Но иногда один и тот же элемент может быть и конструктивным и технологическим.

Ни одна деталь, как правило, не может быть сконструирована вне сборочной единицы машины, в которую она входит. Поэтому детали получают свои формы и размеры в процессе разработки конструкций сборочных единиц.

С точки зрения применяемости и распространения в машиностроении детали можно разделить на стандартные, унифицированные и оригинальные. К стандартным относятся детали, поставляемые по государственным, республиканским и отраслевым стандартам, а также стандартам предприятия. К унифицированным относят заимствованные из другого изделия, т. е. ранее спроектированные как оригинальные. Оригинальные детали конструируют применительно к определенной машине и они, как правило, не имеют подобного себе образца.

При выборе окончательного решения из многих вариантов останавливаются на том, который, если судить по чертежу, является наиболее технологичным. Вид технологичности определяется признаками, характери-

зующими область проявления технологичности конструкции изделия. По этому признаку различают следующие виды технологичности: производственную и эксплуатационную.

Производственная технологичность конструкции изделия выражается в сокращении затрат средств и времени на: конструкторскую подготовку производства (КПП); технологическую подготовку производства (ТПП); процессы изготовления, в том числе контроля и испытаний [30].

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия выражается в сокращении затрат времени и средств на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Главными факторами, определяющими требования к технологичности конструкции, являются: вид изделия; объем выпуска; тип производства.

Вид изделия определяет главные конструктивные и технологические признаки, обусловливающие основные требования к технологичности конструкции.

Объем выпуска и тип производства определяет степень технологического оснащения, механизации и автоматизации технологических процессов и специализацию всего производства.

1.3 Существующая методика проектирования металлических конструкций мостовых кранов.

Мостовые краны относятся к техническим устройствам, являющимися признаками опасного производственного объекта, в случае аварии которого, может последовать значительный материальный ущерб, а также человеческие жертвы. Поэтому их расчёт и проектирование должно производиться в строгом соответствии с нормативными документами [19],[32],[77]. В этих документах представлены требования, предъявляемые к грузоподъёмному крану в целом, так и к его несущей металлоконструкции. Результаты расчета должны обеспечивать сохранение несущей

способности крана и его элементов, а также надежности при заданных эксплуатационных характеристиках в течение установленного срока службы, при условии изготовления, установки и использования крана в соответствии с требованиями нормативно-технической и эксплуатационной документации. Методика проектирования пролётных балок мостовых кранов изложена ниже.

1.3.1 Выбор материала

Для металлоконструкций подъемно-транспортных машин используют в основном два вида стали - сталь углеродистую обыкновенного качества и сталь низколегированную (НЛ). В последние годы получают распространение конструкции из легких алюминиевых сплавов. При выборе материала металлоконструкции моста мостового крана целесообразно руководствоваться таблицами выбора материала для сварных металлических конструкций [32].

1.3.2. Выбор геометрических параметров металлоконструкций

Основные геометрические параметры мостового крана коробчатого типа показаны на рисунке 1.3. Высота главной балки коробчатого [36] сечения при расположении рельса по оси балки принимается в пределах

Ч14 П)

Высота сечения главной балки у опоры принимается равной

Н =

(1.1)

/гоп=(0Д.Д7 )Н (1.2)

Такой же высоты принимаются и концевые балки. Длина скосов находится в пределах

¿/ = (0Д..Д2)£ или ¿«2Я. (1.3)

Ширина поясов главной коробчатой балки по условию горизонталь-

ной жесткости принимается равной

(1.4)

а по условию скручивания

В> — 50

(1.5)

Расстояние В0 между стенками главной балки из условия приварки внутренних диафрагм должно быть не менее 350 мм.

Ширина поясов берется с учетом свисания горизонтальных листов при ручной сварке С> 10 мм, а при автоматической С>20 мм, но не более 30 мм с каждой стороны стенки. Такой же ширины принимаются и концевые балки [34].

П

К

; а

-м-

7

А-А

А* Вид Б

-.........А ........... А ....................—* №-:-к*---

>и 1 Но. Л

7—г—Г

+ I +

т-т

А-А 4- - — • "

и 1 I

£=1=

8.

Н,

Рисунок 1.2. Схема металлоконструкции моста коробчатого сечения.

Толщина стенок главных балок коробчатых балок в зависимости от их грузоподъемности принимается на основе существующих аналогов.

Толщина полок принимается в пределах:

5П=(1,2...2,0)6.

с

(1.6)

Принятая толщина пояса уточняется по сортаменту на листовой прокат, поставляемый на заводы подъемно-транспортного машиностроения. При окончательном выборе толщины листов стенок и поясов рекомендуем пользоваться рядом: 4, 5,6,8, 10, 12, 14, 16 мм [84].

1.3.3. Методы расчётов на прочность.

В настоящее время действуют два вида прочностных расчетов конструкций и их элементов: по допускаемым напряжениям и по предельным состояниям.

Расчет стальных конструкций, их элементов и соединений должен выполняться по методу предельных состояний [77].

При расчете по предельным состояниям вместо одного общего коэффициента запаса прочности вводят три отдельных коэффициента:

- коэффициент перегрузки силы тяжести груза Ксз. [19] и коэффициент перегрузки силы ветра Кв = 1,1;

- коэффициент надежности по материалу Км;

- коэффициент условий работы у, учитывающий возможные отклонения элементов конструкции от их проектных размеров, а также несовершенство используемых методов расчета

Мх2 а

Мх2Ъ , МУ2Ь

<Я-у

(1.7)

У УтУпУс

(1.8)

1.3.4. Расчетные сочетания нагрузок.

Конструкция в процессе эксплуатации находится под воздействием внешних нагрузок и опорных реакций. Сочетание этих силовых факторов

вызывает появление внутренних усилий в сечениях элементов конструкции. Понятия внешних нагрузок и внутренних усилий относительны и зависят от выбранного объекта рассмотрения.

Значения нагрузок, действующих на несущие конструкции, зависят от множества факторов и представляют собой случайные величины. В расчетных моделях (методиках), используемых для прогнозирования работоспособности и долговечности конструкций в рамках СРДН и СРПС, фигурируют расчетные оценки этих величин. Для систематизации этих данных введены так называемые расчетные случаи нагружения, каждый из которых является информационным комплексом, используемым для прогнозирования определенной группы предельных состояний.

Iрасчетный случай — нормальные нагрузки рабочего состояния. Он включает всю информацию о нормальной эксплуатационной нагруженно-сти несущей конструкции и используется для расчета на сопротивление усталости и циклическую. В этот комплекс входят данные о собственном весе конструкции, весах поднимаемых грузов, значениях инерционнвгх нагрузок, усилиях перекоса, технологических нагрузках, а также число циклов работы крана и структура характерных технологических циклов его работы. Нагрузки от ветрового давления в этом расчетном случае не учитываются.

IIрасчетный случай — максимальные нагрузки рабочего состояния. Он используется для расчета по предельным состояниям второй группы. Особенностью этого блока информации является то, чти сюда входят все эксплуатационные нагрузки с соответствующими коэффициентами перегрузки. В данном расчетном случае фигурируют весовые нагрузки, включая номинальную грузоподъемность, максимальные инерционные нагрузки, максимальные нагрузки от давления ветра в рабочем состоянии, а также данные о наиболее неблагоприятных положениях тележки на мосту. Здесь могут фигурировать максимальные перекосные нагрузки при пуске

или торможении мостового, козлового или портального кранов, возникающие при отказе всех или части приводов, расположенная с одной из сторон, а также максимальные технологические нагрузки, возникающие при типичных отклонениях от нормального режима, как, например, упор жесткого подвеса крана в препятствие и пр.

III расчетный случай — максимальные нагрузки нерабочего состояния. Он также используется для расчета по предельным состояниям второй группы, но при наиболее неблагоприятных нагрузках нерабочего состояния. К этому случаю относятся нагрузки от собственного веса крана, от ветра нерабочего состояния (ураганного), сейсмические нагрузки, аварийные, монтажные, особые нагрузки, возникающие при аварии на технологическом оборудовании, расположенном в зоне обслуживания крана и пр. Все эти нагрузки также вводятся с соответствующими коэффициентами перегрузки.

На конструкцию машины в процессе эксплуатации одновременно действуют несколько различных нагрузок, изменяющихся по величине и возникающих в различных комбинациях. Вероятность того, что все возможные нагрузки будут действовать одновременно, практически близка к нулю. Поэтому использование такой комбинации для расчетов привело бы к чрезмерному утяжелению конструкции. Для систематизации переменных силовых воздействий используются расчетные комбинации нагрузок, которые соответствуют определенным, типичным ситуациям, возникающим в процессе эксплуатации машины. Как правило, они включают сочетание нагрузок, возникающее при неустановившемся движении одного или двух механизмов крана . Так, для кранов мостового типа установлены следующие комбинации:

а — кран неподвижен, производится подъем груза с основания или торможение опускающегося груза;

Ь — разгон нлн торможение механизма передвижения крана; остальные механизмы не работают или обеспечивают движение с постоянной скоростью;

с — разгон или торможение механизма передвижения тележки; остальные механизмы не работают или обеспечивают движение с постоянной скоростью.

Расчетная информация об эксплуатационных силовых воздействиях на конструкцию сводится в таблицу нагрузок.

В соответствии с принятым методом устанавливаются следующие предельные состояния и основные расчетные сочетания нагрузок [32].

Первое предельное состояние характеризуется потерей несущей способности при однократном действии максимальной нагрузки, которая может возникнуть за срок службы крана (расчет на прочность и устойчивость). Для этого состояния расчет металлоконструкций производится при следующих сочетаниях расчетных нагрузок.

В нерабочем состоянии должна производиться проверка кранов пролетом только более 34,5 м и при установке в районах с динамическим давлением ветра не менее 25 кПа. Помимо ветра, следует учитывать вертикальную нагрузку от сил тяжести элементов конструкции.

Второе предельное состояние характеризуется потерей несущей способности при многократном действии нагрузки (проверка выносливости). Для этого состояния должны учитываться нагрузки от сил тяжести конструкции и полезного груза без учета коэффициентов перегрузки. Динамические нагрузки, вертикальные при работе механизма подъема и движения крапа, горизонтальные и осевые при передвижении крана, ветровые нагрузки и осевые нагрузки, принимаемые с коэффициентом 0,5.

Третье предельное состояние характеризуется возникновением недопустимых упругих деформаций или колебаний, препятствующих нормальной эксплуатации крана. Для расчета принимаются нагрузки силы тяжести

(без учета коэффициента перегрузки), нагрузки сил тяжести грузозахватного устройства и грузовой тележки.

Значения показателей, полученных в результате выполненных выше расчетов, должны составлять не менее 75 % от предельно допустимых значений.

1.3.5. Определение нагрузок на металлоконструкцию крана

В общем случае нагрузки на конструкции мостовых кранов должны определяться в соответствии с [32].

Рассматриваются два расчетных случая:

1. Тележка в середине пролета.

2. Тележка расположена около наиболее нагруженной концевой балки (со стороны кабины управления).

6. Расчетные схемы

\ I. ] и Рв2 См ................. ■ ........................ ........-

Гц и И!!»» Л 11 И *♦ ♦ »1 1

V а2 А 4 9

2 -1-^ «■«цЦ^Мммм

Рисунок 1.3 Расчётная схема пролётной балки мостового крана.

Расчетные схемы моста крана и его отдельных элементов принимаются, сообразуясь с целями, методами и средствами расчета. Для упрощенного проектирования расчета (подбор прочных сечений) мостового коробчатого крана целесообразно расчленение металлоконструкции моста на отдельные элементы, работающие по балочной схеме. В этом случае наиболее нагруженная главная балка моста представляется шарнирно опертой (в местах стыка с концевыми) балкой постоянного сечения, нагруженной

силами сочетания 2 первого предельного состояния, которому соответствует подъем груза и движение.

7. Проверку общей устойчивости балки в зависимости от условий нагружения выполняют по схеме изогнутого или сжато-изогнутого стержня. Если проверка показала, что условие устойчивости не удовлетворено, следует изменить размеры или компоновку сечения. Балки замкнутого сечения (коробчатые), в которых преобладающие напряжения возникают от изгиба, а также балки открытого сечения, но имеющие непрерывные или достаточно частые связи по сжатому поясу, не нуждаются в проверке на общую устойчивость.

8. Выполнение условия жесткости зависит в основном от значения моментов инерции сечений элементом конструкции. Поэтому если оно не выполняется и проектируемая балка является основным формообразующим элементом конструкции, то ее сечение должно быть увеличено. Наиболее эффективно можно повысить момент инерции за счет увеличения габаритных размеров сечения.

9. Условия местной устойчивости элементов балки используют для определения параметров расстановки ребер и диафрагм. Поперечные ребра и диафрагмы обеспечивают неизменяемость поперечного сечения балки, поэтому их ставят в любом случае, даже если проверка показала, что местная устойчивость всех элементов балки обеспечена, и установка ребер не требуется. В этом случае их размещают на расстоянии а < (1,5-2,5)/? [32].

10. Проверочный расчет на сопротивление усталости выполняют для конструкций, подвергаемых интенсивному циклическому загружению. Расчет проводится для основных сечений и, при необходимости, для узлов местного нагружения. Если условие сопротивления усталости не выполнено, следует скорректировать конструктивно-технологическое решение.

1.4. Анализ массогабаритных характеристик пролётных металлоконструкций

Как видно из алгоритма проектирования пролётных балок, диапазон выбора размеров поперечного сечения достаточно широк, что не позволяет найти оптимального решения при выборе необходимых параметров. Это видно, при сравнении параметров поперечного сечения балок, рассчитанных для одного типа крана, но выполненных на разных предприятиях. Нами был проведен анализ массогабаритных характеристик пролётной балки мостового крана грузоподъёмностью 20 тонн при пролётах 10,5 м, 16,5 м, 22,5 м, 28,5 м, 34,5 м [33], группы режима работы А4, разработанной на «Узловском машиностроительном заводе» г. Узловая, Тульской области и на заводе «Стройтехника» г. Донской, Тульской области. Данные анализа приведены в таблицах 1,2.

Рисунок 1.4. Поперечное сечение пролётной балки.

Таблица 1.1 Размеры параметров поперечного сечения пролётной балки мостового крана

«УМЗ» Ь, мм В, мм 8, мм X, мм а, мм Масса, кг

Ь=10.5 970 450 5 8 6 1310

Ь=16.5 970 450 5 8 8 2175

Ь=22.5 1170 560 5 8 8 3626

Ь-28.5 1560 600 5 10 10 5460

Ь=34.5 1770 700 6 16 16 11740

Таблица 1.2 Размеры параметров поперечного сечения пролётной балки мостового крана

«Стройтехника» Ь, мм В, мм 5, мм X, мм а, мм Масса, кг

Ь=10.5 780 400 5 8 8 1163

Ь=16.5 970 450 5 8 8 2175

Ь=22.5 1200 530 5 8 8 3594

Ь=28.5 1300 600 8 10 10 7291

Ь=34.5 1500 700 6 10 10 8611

Для оценки несовершенства метода расчёта была построена зависимость массы главной балки (без учета диафрагм, ребер жесткости и вели-

чины скосов) от пролёта. Она представлена на рисунке 1.5.

^

с го ю

о

X

н :0) с; о о. с:

го а а го

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Калабин, Павел Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача, заключающаяся в совершенствовании метода расчета металлических конструкций мостовых кранов, обеспечивающего низкую материалоемкость и себестоимость мостовых кранов, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке. При этом получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. В результате анализа конструкций и методов проектирования металлических конструкций мостовых кранов установлено, что высокая металлоемкость существующих конструкций обусловлена несовершенством известного метода оптимизации металлических конструкций, основанного па расчёте не металлической конструкции в целом, а на независимом расчёте отдельных ее элементов.

2. Разработана методика оценки металлоёмкости металлических конструкций мостовых кранов, раскрывающая её взаимосвязь с условиями работы мостовых кранов, материалом металлической конструкции и площадью поперечного сечения пролётной балки.

3. Показано, что разработанная математическая модель расчёта оптимальных геометрических параметров поперечного сечения пролётной балки обеспечивает снижение металлоемкости его металлических конструкций до 10% по сравнению с балками, спроектированными заводами-изготовителями по существующим методикам.

4. Предложен метод расчёта пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями, основанный на совмещении проектного и проверочного расчетов и учитывающий дополнительные напряжения в верхнем поясе пролётной балки от местного давления колеса грузовой тележки, что позволило производить расчеты параметров поперечного сечения пролетной балки с поясами разной толщины. Адекватность предлагаемого метода подтверждена на основе проведенного анализа напряженно-деформированного состояния конечно-элементных моделей пролетных балок.

5. Инженерный метод расчёта пролетных балок мостовых кранов и реализующие его программное обеспечение для ПЭВМ, параметрические ряды и номограммы поиска оптимальных массогабаритных показателей пролётных балок внедрены в ОАО «Стройтехника» (г. Донской, Тульской области) и используются в учебном процессе при подготовке студентов на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калабин, Павел Юрьевич, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Громовский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий // 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Наука, 1976.-278 с.

2. Амиров Ю.Д. Научно-техническая подготовка производства. М.: Экономика, 1989.

3. Ананьев Л. Научно-технические основы технологичности конструкции / Проблемы развития технологии машиностроения. М : Машиностроение, 1968.

4. Анурьев В.И Справочник конструктора-машиностроителя : В 3-х т. Т.З. - 5-е изд. перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1978. - 557 с.

5. Анцев В.Ю., Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Оптимизация металлических конструкций грузоподъёмных машин мостового типа // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 4.4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ,

2009. С. 18-22.

6. Анцев В.Ю., Калабин П.Ю, Толоконников A.C. Моделирование предельного состояния металлоконструкций мостовых кранов с оптимизацией размеров поперечных сечений \\ Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения - Технология-2010. Материалы XII Международной научно-технической конференции. — Орел: ОрелГТУ,

2010.-С. 220-224.

7. Афанасьев H.H. Статистическая теория усталостной прочности металлов. - Киев.: Изд. АНУССР, 1953. - 128 с.

8. Балабанов А.Н. Технологичность конструкций машин. М.: Машиностроение, 1987.

9. Балахнин Г.С. Организация и планирование конструкторских работ при освоении производства. М.: Машиностроение, 1986.

10. Бешелев Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980.

11. Богуславский П.Е. Металлические конструкции грузоподъемные машин и сооружений. М.: Машгиз; 1961.

12. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1990.-623 с.

13. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. -М.: Стройиздат, 1965. - 279 с.

14. Вейцман З.В. и др. Оценка комплексного показателя технологичности с помощью ЭВМ // Стандарты и качество, 1987, N6.

15. Вершинский A.B., Гохберг М.М. и др. Строительная механика и металлические конструкции. JL: Машиностроение, 1984. - 231 с.

16. Вершинский A.B., Касымбек Ж.Н., Наргужин М.Р., Базарбаев С.С. Несущая способность крановых металлоконструкций при пониженных температурах. -Алматы: Гылым. - 1997. - 308 с.

17. Винокуров A.B., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. -М.: Машиностроение, 1984. - 532 с.

18. Владимиров В.В. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

19. ВНИИПТМАШ. Отраслевые расчеты кранов / Под ред. А.Х. Комашенко, - М.,

20. Вояченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. - М.: Машиностроение, 1986. - 152 с.

21. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. пособие для вузов / В.Е. Гмурман. - 10-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004. - 479 с.

22. Головин С.А. , Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. -М.: Металлургия, 1980.-240 с.

23. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. -М.: Металлургия, 1980. - 208 с.

24. ГОСТ 2.102-68. ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

25. ГОСТ 2.103-68. ЕСКД. Стадии разработки.

26. ГОСТ 14.201-83. ЕСТПП. Общие правила обеспечения технологичности конструкции изделия.

27. ГОСТ 14.202-73. ЕСТПП. Правила выбора показателей технологичности изделий.

28. ГОСТ 14.203-73. ЕСТПП. Правила выбора показателей технологичности конструкции сборочных единиц.

29. ГОСТ 14.204-73. ЕСТПП. Правила выбора показателей технологичности конструкций деталей.

30. ГОСТ 14.205-83. ЕСТПП. Технологичность конструкции изделий. Термины и определения.

31. ГОСТ 14.206-73. ЕСТПП. Технологический контроль конструкторской документации.

32. ГОСТ 24.090.72-83. Нормы расчета стальных конструкций мостовых и козловых кранов.

33. ГОСТ 534-78. Краны мостовые опорные. Пролёты.

34. ГОСТ 1575-87. Краны грузоподъёмные. Ряд основных параметров.

35. ГОСТ 28609-90. Краны грузоподъёмные. Основные положения расчёта.

36. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно - транспортных машин. Изд. 3-е, допол. и переработ. - Д.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1976.-456 с.

37. Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства. М.: Мир, 1987

38. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. / Трощенко В. Т. - Киев: Hay к. думка, 1981.-344 с.

39. Иванова В.С. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1963. - 272 с.

40. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Металлургия, 1975.-456 с.

41. Иванова B.C., Терентьев В.Ф., Пойда В.Г. Особенности поведения поверхностного слоя металлов при различных условиях нагружения // Металлофизика. 1972. № 9. С. 34 - 37.

42. Калабин П.Ю., Анцев В.Ю. Управление технологичностью металлоконструкций пролетных балок мостовых кранов. // VI-я молодежная научно-практическая конференция Тульского государственного университета «Молодежные инновации»: Сборник докладов под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. Дцыкина Е.А.: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Ч.1.-СЛ 36-137.

43. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Проектирование несущих металлоконструкций мостовых кранов // Системы автоматизированного проектирования на транспорте: II Международный научно-практический семинар студентов, аспирантов и молодых ученых / под ред. С.Г. Подклет-нова. — Спб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. С.44-45.

44. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Оптимизация массогаба-ритных показателей поперечного сечения главных балок мостовых кранов// Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Матера-лы междунар. научно-техн. конф. АПИР-14 / под. ред. В.В. Прейса, Е.В. Давыдовой. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 126-129.

45. Калабин П.Ю., Толоконников A.C. Снижение массы мостовых кранов путем оптимизации параметров поперечного сечения пролетных балок коробчатого сечения с разными толщинами поясов \\ Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехни-ческие комплексы: Материалы XIII Московкой международной межвузовской научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. С.54-55.

46. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. - М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

47. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. -224 с.

48. Коларов Д., Балтов А. Механика пластических сред. - М.: Мир, - 1979.-302 с.

49. Концевой Е.М., Розеншейн Б.М. Ремонт крановых металлоконструкций. - М.: Машиностроение, 1979. - 206 с.

50. Кох П.И. Климат и надежность машин. - М.: Машиностроение, 1981.- 175 с.

51. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1976.-456 с.

52. Красовский А.Я. Физические основы прочности. - Киев: Нау-кова думка, 1977. - 140 с.

53. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1976. - 270 е.; Прочность сварных соединений при переменных нагрузках / Под ред. В.И. Труфякова - Киев: Наук, думка, 1990.-255 с.

54. Курсовое проектирование грузоподъемных машин. Учебное пособие / Под редакцией С.А. Казака, М.: Высшая школа, 1989.

55. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др. Под общ. ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение,1989. - 640 с.

56. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению.-М.: Машиностроение, 1973.-200 с.

57. Махутов H.A., Веретимус Н.К. Исследования полей накопления повреждений при циклическом нагружении. Завод, лаб. - 2000. - №8. -С. 46-49.

58. Махутов H.A., Зацаринный В.В., Базарас Ж.Л. Статистические закономерности малоциклового разрушения. - М.: Наука, 1989. - 252 с.

59. Махутов H.A., Зацаринный В.В., Новиков В.А. Исследования возникновения и распространения трещин малоцикловой усталости в зонах концентрации напряжений в статическом аспекте. Завод, лаб. - 1983. - №4. -С. 68-73.

60. Махутов H.A.. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. -272 с.

61. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик сопротивления развитию трещины (трещиностойкости) при циклическом нагружении. - Львов, Госстандарт СССР, 1979. - 126 с.

62. Механика разрушения: Учебное пособие / B.C. Дронов, Г.Г. Дубенский, И.В. Троицкий; Под ред. B.C. Дронова; Тул. Гос. Ун-т. Тула, 1999, 276 с.

63. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Прочность сварных соединений и деформирование конструкций. Учебное пособие. - М.: Машиностроение, 1982. -354 с.

64. Панасюк В.В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. - Киев: Наук, думка, 1991. - 416 с.

65. Петров И.В. Диагностирование дорожно-строительных машин. М.: Транспорт, 1980. - 144 с.

66. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. Госгортехнадзор России, 1992.

67. Прочность материалов и конструкций. Под ред. Г.В. Писарен-ко. - Киев: Наукова думка, 1975. - 240 с.

68. Прялин М.А., Кульчев В.М. Оценка технологичности конструкций. Киев: Техника, 1985.

69. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Наука, 1979. - 321 с.

70. Пустовой В.Н. Диагностирование металлоконструкций портовых перегрузочных машин. -М.: Транспорт, 1987. - 176 с.

71. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений -М.: Наука, 1968, - 288с.

72. Пушкарь Б.М., Клебан П.С. Система отработки и оценки изделий на технологичность. Из опыта ПО им. С П . Королева. Киев: Знание, 1984.

73. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Май-борода и др.; Под общ. ред. В.И. Мяченкова, - М.: Машиностроение, 1989-520с.

74. Расчет и проектирование металлических коснтрукций мостовых кранов: учебное пособие / Дусье В.Е., Наварский Ю.В., Жегульский В.П. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2007 - 133 с

75. Рахин В.А., Мошкарев Г.Н. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин. - М.: Машиностроение, 1984. - 232 с.

76. Рачев X., Стефанова С. Справочник по коррозии: Пер. с болг. -М.: Мир, 1982.-520 с.

77. РТМ 24.090.30-77 и 32-77. Краны грузоподъемные. Стальные конструкции. Нормы расчета и проектирования.

78. Сатель Э.А. Технологичность конструкций. М.: Маш- гиз.,

1983.

79. Сборник нормативных и справочных документов по безопасной эксплуатации грузоподъемных машин: В 2 т. Т. 1. B.C. Котельников, H.A. Шишков, П.И. Стеценко, A.M. Горлин. - M.: НПО ОБТ, 1995.-464 с.

80. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное

пособие. Изд-е 3-е, перераб. и доп. Под ред. С. В. Серенсена. - М.: Машиностроение, 1975.-488 с.

81. Сероштан В.И., Марьенко О.С. Оценка остаточного ресурса крановых металлоконструкций по условию сопротивления усталости □□ Подъемно - транспортные машины: Изв. Тульского государственного университета. - Тула: ТулГУ, 2001. - С. 174 - 180.

82. Соколов С.А. Металлические конструкции ПТМ / СПб.: Политехника,2005.-423 с.

83. Сосновский Л.А. Статистическая механика усталостного разрушения. - Мн.: Наука и техника, 1987. - 288 с.

84. 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. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1988. - 536 с.

85. Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. -М.: Машиностроение, 1979. -200 с.

86. Степнов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. -М.: Машиностроение, 1972. -232 с.

87. СТО 24.09-5821-01-93 «Краны грузоподъёмные промышленного назначения. Нормы и методы расчёта элементов стальных конструкций»

88. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. -М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 228 с.

89. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов: Учеб. пособ. - Воронеж: Изд - во Воронежского техн. ун - та, 2000. - 60 с.

90. Технологичность конструкции / Под ред. А.Ананьева и В.И.Купровича. М.: Машиностроение, 1989.

91. Толоконников А.С. Исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкций вблизи концентраторов напряжений. // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 5. - Тула: Изд-во ТулГУ. - 2004. - С. 136 - 138.

92. Толоконников A.C., Калабин П.Ю. Оптимизация геометрических параметров пролетных балок мостовых кранов с поясами разной толщины \\ Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 2.4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 53-57.

93. Третьяков А.С, Новикова К.В. Метод количественной оценки качества конструкторской документации. // Стандарты и качество, N12.

94. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов. - Киев: Наук. думка, 1972.-268 с.

95. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. - Киев: Наук, думка, 1973.-214 с.

96. Фейгин JI.A. Эксплуатация и техническое обслуживание машин и оборудования. М.: Стройиздат, 1986. - 176 с.

97. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. - М.: Машиностроение, 1969. - 504 с.

98. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов: Пер. с англ. Под ред. Бернштейна М.Л., Ефименко С.П. - М.: Металлургия, 1989. - 576 с.

99. Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин. / P.C. Григорьев, В.И. Ларионов, П.А. Новиков и др. - М.: Наука, 1969. - 96 с.

100. Циклические деформации и усталость металлов. В 2 т. Т.1. Малоцикловая и многоцикловая усталость металлов / Трощенко В.Т., Ха-маза Л.А., Покровский В.В. и др. Под ред. Трощенко В.Т. - Киев: Наук, думка, 1985. —216 с.

101. Четыркин Е.М. Статистические методы прогнозирования. М.: Статистика, 1977.

102. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М.: Сов. радио, 1975

103. Шабашов А..П., Лысяков А.Г. Мостовье краны общего назначения. М.: Машиностроение, 1980. 304 с.

104. Шатуновский Г.М. Технологичность конструкций и экономическая эффективность сельскохозяйственных машин. М.: Маш-гиз, 1992.

105. Шубарев В.А. Технологичность конструкций: учебное пособие. ЛЭТИ, 1986.

106. Янковский Г.А. Единые научно-методические основы обеспечения технологичности конструкций изделий. В сборнике "Проблемы технологичности конструкций изделий машиностроения" / Материалы Всесоюзной НТК. М.: Изд. стандартов, 1976.

107. Ярема С.Я., Красовский А.Я., Осташ О.П. и др. Развитие усталостного разрушения в листовой малоуглеродистой стали при комнатной и низкой температурах // Пробл. Прочности. - 1977. - №3. - С. 21 - 26.

Приложение А. Листинг программы расчета оптимальных массогабарит-ных показателей пролетных балок мостовых кранов.

Исходные данные

16.5 -Пролёт крана

О := 200 ■ I (г -Грузоподъёмность

ш := 1.1 -Коэф. пререгрузки для веса м/к.

п2 := 1.1 -Коэф. перегрузки для веса оборудования

п3 := 1.1 -Коэф. перегрузки для веса оборудования

гч -Коэф. перегрузки для веса груза

к (Упер) -Коэф. ТОЛЧКОВ

ч/ -Коэф динамичности

ч/ -Момент сопротивления рельса

Упер := 0.62 -Скорость передвижения крана

Упод := 0.12? -Скорость подъёма груза

Рр -Вес рабочих площадок

рк := is - id3 -Вес кабины управления

Pt -Вес гр. тележки

lp := i.î -Расстояние до ц.т. мех. передв.

Icy := 1.3"! -Расстояние до ц.т. кабины упр-я.

0.7"/ -коэф. условий работы. Ai -База грузовой тележки

350 ■ 1()б -Предел текучести металла Е := 2.1 • ю" -МОДУЛЬ упруГОСТИ J -Момент инерции рельса

Pt(Q) :=

20- 103 if 0 < Q < 50 • 103

22-10? if 51 • 10? < Q < 80- 103

24- ÎO3 if 100- 10? < Q < 125' 103

30- 10? if 126- 10? < Q < 160- 10?

37- 10? if 161- 103 < Q < 199- 10?

63 • 10? if 200- 103 < Q < 320- 1С?

87- 10? if 320- 10? < Q < 500- 103

135- 103 if Q > 500- 10?

A«Q) :=

1.2 if 0 < Q < 50- 10?

1.25 if 51 ■ 10? < Q < 80- 1С?

1.25 if 100- 103 < Q < 125- 10?

1.4 if 126- 10? < Q < 160- 10? 1.6 if 161- 10? < Q < 200- 10?

2.5 if 200- 103 < Q < 320- 10? 2.9 if 320- 10? < Q < 500- 10? 3.4 if Q > 500- 10?

k(Vnep) :=

1 if Vnep < 1

1.1 if 1 < Vnep < 1.5

1.2 if 1.6 < Vnep < 3

1.3 if Vnep > 3

n4(Q) :=

1.25 if Q < 50 ■ 10J 1.2 if 51 ■ 103 < Q < 125- 103 1.15 if 126- 103 < Q S 200- 103 1.1 if Q > 201 ■ 103

5 • Ю-3 if Q < 100• 103 5-10-3 if 101 • 10? < Q < 200- 1С?

6 • 10~ 3 if 201 • I03 < Q < 320- 10? 10- 10~3 if Q > 321 • 10?

Pp(L) :=

11 • 10? if L= 10.5 24-10? if L= 16.5 52.5-10? if L= 22.5 84- 103 if L= 28.5 103.8- Iff3 if L= 34.5

30.93 • 10"6 if Q < 80 • 103

50.81 • 10" 6 if 81 - 103 < Q < 99 ■ 103

91.02 • 10" 6 if 100 • 103 < Q < 320 ■ 103

208.3 • 10"6 if Q > 321 ■ 103

126.6 • 10" 8 if Q < 80 • 103

238.44 • 10" 8 if 81 • 103 < Q < 99 • 103

497.8 ■ 10" 8 if 100 • 103 < Q < 319 • 103

1489 - 10

if Q > 320 ■ 10

i (Q) :=

1.4 if Q < 100- 103 1.6 if 101 • 103 < Q < 200- 103 1.667 if 201 • 103 < Q < 320- 103 1.2 if Q > 321 ■ 103

Z := 0.6

:= ОЛЗ: К := 0.161

Pt(Q) = б.З X 1 О*

At(Q) = 2.5 k(Vnep) = I n4(Q) = 1.15

Pp(L) = 2.4 ж io4 <a(Q) = 5x 10~3

T(Q) = 1.6

W(Q) = 9.l02x 10" 5 J(Q) = 4.978X Ю-6

Расчётные единицы

£(11,В,а,5,х,А) := Ь • б - 2 + В - (х + а)

у := 1.05+ 0.7- Упол 0.25- Ь

У1 := 1р ■

0.5- Ь

у2 :=

Ь

У3:=4

у1, у2, уЗ, у4, у5- координаты линий влияния

В1(В,5) В - 0.004- 25 -расстояние между стенками

Я1 (Ь, В, 5 , х, а) := 78000- Ь • [Ь • 5 • 2 + В - (х + а)] Я1(Ь,В,5,х,а) • 0.5 + Р1(д)

у4 := 1

М(Ь,В,5,х,а,д) :=

9.81

-масса м/к -момент от собств. веса

N(<3) :=

//Л» ^'

Р^д) • п3 • к (Упер) + д • п4(д) • к(Уиер)

N -давление колеса грузовой тележки

У(Ь,В,5,х,а) :=

Ь-5-2-|а+-|у+В-а-0.5-а+В-х-|а+Ь + ! Ь-5-2 + В- а+ В- х

У( Ь, В, 8, х, а) -координата центра тяжести сечения по оси У

Лх(Ь,В,8,х,а) := ' ' + (У(Ь, В, 5 ,х, а) - а - 0.5 • Ь)2 ■ 2 ■ Ь ■ 5 + В ■ а ■ ( У(Ь,В,8,х,а)

+ В • х • | У(Ь,В,5,х,а) - Ь - а - -

.Гх (Ь, В, 5, х, а) -момент инерции сечения по оси X 2 • 48- Е • 1х(Ь,В,5,х,а)

с(Ь,В,5,х,а) :=

-коэффициент жёсткости моста

р(Ь, В, 5 , х, а , д) :=

М(Ь,В,5,х,а,д) с(Ь,В,б,х,а)

Х(Ь,В,5,х,а,<3) := 2- л • р(Ь, В,5.х.а.О)

г(Ь,В,5,х,а,0) := 540 ■ Т(М,5,х,а,С>)3 1х(Ь,В,5,х,а)

Wx(h,B,5,x,a) :=

У(Ь,В,5 ,х,а)

Wx(h, В, 8, х, а) -момент сопротивления сечения по оси X

Х(В) := В ■ 0.5

Х(В) -координата центра тяжести сечения по оси X

(В ■ 0.5 - 5 • 0.5 - 0.02)2 • 5 ■ Ь + 53 ~

1у(Ь,В,5,х,а) := 2 • ^(Ь,В,5,х,а) -момент инерции сечения по оси У .1у(Ь,В,5,х,а)

3 3

в в

+ х • — + а • —

12 12

\¥у(Ь, В, 6 ,х, а) :=

Х(В)

Wy(h, В,5,х, а) -момент сопротивления сечения по оси У

[Ь • 8 • 2 + В - (х + а)] Я(И,В,8,х,а) := 78000- ---—--—

я(Ь,в,5,х,а) -распределённая нагрузка от веса м/к

Г(Ь,В,5,х,а,Сй

2-Ы(0) • С • (о.75 - Ь2 -

12 • Е • 1х(11,В,8,х,а) Г(Ь,в,8,х,а) -прогиб моста

Мх11а (Ь, В, 5 ,х, а, 0) : = Рр(Ь) • у 1 - п2 + Рк ■ у4 • п2 +

Р1(0) • п3 + О • п4(0) ■ у

Р1(0) ■ п3 + О • 114(0) • V

У2.

+ Рр(Ь) • у5 ■ п2 +

■ уЗ ...

2

Я(Ь,В,5,х,а) • Ь - гц

Мх11Ь(Ь,В,5,х,а,д) :=Рр(Ц • у 1 • п2 ■ к(Упер) + Рк • у4 • п2 ...

Р1(д) • п3 • к (Упер) + д • п4(<3) • к(Упер) +----у 2 ...

• п3 ■ к (Упер) + (2 • п4(<3) • к (Упер) 4

2

Я(Ь,В,5,х,а) • Ь • П1 • к(Упер)

уЗ + Рр(Ь) • у5 ■ п2 ..

МуПЬ (Ь, В, § , х, а, С?) := 0.1 -

г РС(д) • п3 • к (Упер) + (2 ■ п4((2) • к(Упер) л ----у2 ...

Р^) • п3 • к(Унер) + д • п4(д) • к(Упф)

уЗ

Р1(0) ргго)

МхПЬгшп(Ь, В, 5, х, а, Р) := Рр(Ь) • у! • п2 + Рк ■ у4 ■ п2 + —• у2 + —^ • уЗ

+ Рр(Ь) • у5 • п2 +

Ч(Ь,В,5,х,а)- I. • щ

Мх11а(Ь,в,5,х,а) -изгибающий момент от вертикальных сил при комбинации нагрузокПа Мх11Ь(Ь,в,5 ,х, а) -изгибающий момент от вертикальных сил при комбинации нагрузокНЬ МуПЬ(Ь,В,5,х,а) -изгибающий момент от горизонтальных сил при комбинации нагрузокНЬ

Б :=

5 ■ \У(<3) • 240- 10°

N(0)

Ф^х,В,5,д,А) :=

-шаг ребер жесткости

X О > В1(В,б)

1 +

96- К • В1 (В,5) • Дд)

.3 3 А • х

N(0)

1 +

96 - к • .Г(д)

I з

А • х

¡Г О < В1 (В, 5)

Ф(х, В, 8, д, А) -сила, передающаяся на поясной лист

г^Ь,5) := - - гибкость стенки

о

£1 (х, В, 5 , р, А) :=

6 ■ Ъ ■ Ф(х,В,5,д,А)

стЗ (x,B,5,Q,A) :=

Ч7 • 6 • 0(x,B,S,Q,A)

2 (h, В, S , X, a, Q, A) := стЗ (x, В, 8, Q, Л) +— D _-г- +—... D g--—

A(h,B,5,x,a,Q,A) := (E (h,B,5,x,a,Q,A))2 + (SI (x,B,5,Q,A))2 N/ + (S(h,B,6,x,a,Q,A) -II (x,B,5,Q,A))

A(h,B,s,x,a,Q, А) -напряжения в верхнем поясе

Mxübmin (h,B,8,x,a,Q)

cjmin(h,B,8,x,a,Q) :=

ornax (h,B,5,x,a,Q) :=

Rl(h,B,5,x,a,Q) :=

Wx(h,B,8,x,a)

Mxnb(h,B,5,x,a,Q) Wx(h,B,S,x,a)

rnnin (h,B,8,x,a,Q) сттах (h,B,8,x,a,Q)

cnnin (h, B, 5 ,x, a ,Q)

crR(h,B,ö,x,a,Q) := 0.5- сттах (h,В,8 ,x,a,Q) ■ 1 -

alk(a) := slkb ■ | —

ermax (h,B,8,x,a,Q) 0.25

crted3 (h,В,6,x,a,Q) := 0.435 • ст1к(а) • yn • yd • ym

Расчёт параметров сечения с учётом ограничений по прочности, жёсткости и технологичности изготовления.

h := O.i В := O.f О.ОО! х := О.ООГ а := О.Of

Л:= 1

Giver

Myllb (h,B,5,x,a,Q) MxIIb (h,B,8 ,x,a,Q)

Wy(h,B,5,x,a)

Wx(h,В,5 ,x,a)

< R • m

0.5 < h

0.3 < В < -

2

В > — 50

0.45- D < Л < D

ra(Q) £ 8 S 15 • IO

x (Q) - 5 < x < 2 • 6

CO (Q) < a 15 • lO

t(h, В , 5 , x, a , Q) < 15

f(h,B,8,x,a,Q) < — ' 750

A (h, В, 5 , x, a, Q, Л) < R • m

Minimize (F,h,B,a,5,x,A)

f 1.192 ^ 0.33

5 x 10~ 3

5x 10" 3

8x 10" 3 v 0.657 )

научно-технической комисс

кандидатской диссертации КАЛАБИТ1А Павла Юрьевича на тему: «Повышение технологичности металлических конструкций пролетных балок мостовых кранов»

Научно-техническая комиссия в составе начальника конструкторско-тсхнологического отдела М.Ю. Киреева, главного инженера проекта И.Л. Пака составили настоящий акг в том, что научные положения диссертационной работы:

методика количественной оценки технологичности металлических конструкций мостовых кранов, учитывающая технические характеристики и условия работы мостового крана;

математическая модель оптимизации геометрических параметров поперечного сечения пролётной балки мостового крана, обеспечивающих повышение технологичности конструкции мостового крапа на основе снижения металлоемкости его металлических конструкций;

методика проектирования пролетных балок мостовых кранов с оптимальными массогабаритными показателями на основе совмещения проектного и проверочного расчётов с использованием разработанного нро1раммного обеспечения для ПЭВМ и построенных параметрических рядов и номограмм реализованы при проектировании и изготовлении пролетных балок коробчатого сечения электрических мостовых двухбалочиых кранов общего назначения.

Подтверждено снижение металлоемкости пролетных балок до 10% но сравнению с конструкциями, выпускаемыми ранее и имеющими, как правило, симметричные сечения.

Начальник

Конс'1 рук горско-технологического отдела

Главный инженер проекта

ИЛ. Пак

«/¿7» 2013 г.