Допустив, что кран работает круглый год непрерывно и каждый цикл его равен 10мин, то в течение года он выполнит циклов и до появления первой трещины должен работать

Краностроители, на основании опыта эксплуатации клепаных и сварных мостов утверждают, что причинами наблюдаемого снижения циклической долговечности сварных мостов могут быть только теплофизические и химико-металлургические воздействия на изделия процессов сварки, в результате которых образуются местные различия химсостава, структуры и геометрической формы, приводящие к ухудшению мехсвойств и увеличению концентрации напряжений, а также остаточных напряжений и пластических деформаций в околошовной зоне. Поэтому они считают, что проблема увеличения долговечности конструкций должна решаться специалистами-сварщиками.

Усталостные повреждения сварных крановых мостов, если не считать коррозионные повреждения, составляют до 100% их преждевременных отказов и являются основным фактором, определяющим долговечность этих конструкций.

Лаборатория технической диагностики Донбасской государственной машиностроительной академии (ДГМА) с 1978 года проводит исследования по созданию рациональных сварных конструкций грузоподъемных сооружений. За истекшие годы проведена диагностика 2500 мостовых кранов. Было установлено, что до 60% обследованных машин имеют усталостные повреждения, которые образуются, как правило, в местах где расчеты, выполненные по общепринятым методикам и тензометрирование в условиях эксплуатации показывают низкий уровень напряжений от нагрузок, вызываемых подъемом – опусканием грузов и перемещением их тележкой по главным балкам, т.е. там, где они не ожидались.

Причем повреждения растянутого наиболее нагруженного нижнего пояса главных балок наблюдались только в шести случаях и вызваны нерациональной конструкцией сварных узлов и расслоением листа поясов (рис. 1, 2, 3).

Причины повреждения мостов, обусловленные сваркой, как показали результаты анализа, были следующие: высокая концентрация напряжений некоторых сварных соединений, дефекты швов и снижение пластичности стали, вызываемое деформационным старением.

Исследования также показали, что большинство сварных узлов на крановых мостах, в которых образовались усталостные трещины, подвержены действию циклических нагрузок от подъема-опускания груза и перемещения тележки с грузом, но количества этих нагружений до момента образования трещины было невелико, и не могло привести к разрушению.

Ситуация, аналогичная рассмотренной, наблюдается также при эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов. Чтобы выяснить причины усталостных повреждений сварных крановых мостов, необходимо учитывать объективность влияния на усталостную прочность следующих факторов:

1. Правомочность допущения, согласно которому циклическая долговечность крановых мостов может определяться только нагрузками возникающими в процессе подъема-опускания груза и его перемещения тележкой по главным балкам мостов т.е. нагрузками только от изменения величины и места приложения сил веса груза и тележки.

2. В процессе проектирования крана учитывается два критерия:

-величина нормируемого прогиба главных балок на середине пролета (жесткость балок)

при действии нагрузок от собственного веса и веса тележки с грузом;

-допустимая величина напряжений в балке.

Многочисленные расчеты на прочность подтверждают, что напряжения от переменной нагрузки на главных балках кранов общего назначения с грузоподъемностью от 5 до 50т и пролетом от 10,5 до 34,5м имеют асимметричный цикл с коэффициентом асимметрии

Обеспечив нормативную жесткость главных балок моста

, где допускаемый прогиб балки, пролет крана, коэффициент, зависящий от режима работы крана, вызовем уменьшение величины нормальных напряжений в нижнем, растянутом поясе балки до значений МПа. Предел выносливости при нагружении асимметричным циклом с коэффициентом асимметрии , на базе испытаний циклов, равен ≥ МПа , если сварное соединение стыковое, пересекаемое продольным швом. Такое соединение аналогично стыковому шву листов пояса, пересекаемому швом, прикрепляющему лист стенки к поясному листу, т.е. < , где = МПа расчетное сопротивление усталости малоуглеродистой стали.

Допустив, что кран работает круглый год непрерывно и каждый цикл его равен 10мин, то в течение года он выполнит циклов и до появления первой трещины должен работать

Лет

Практика хорошо подтверждает высокую циклическую долговечность наиболее нагруженных в среднем поперечном сечении главных балок мостовых кранов при подъеме-опускании и перемещении грузов тележкой, т.е. при действии основных напряжений.

Возникает проблема, чем объяснить массовые усталостные повреждения других слабонагруженных мест конструкции?

В своей статье В.И. Труфяков высказал мнение, что в сварных конструкциях различного назначения, отвечающих требованиям ныне действующих норм их проектирования и изготовления, усталостные трещины могут появиться даже на ранней стадии их работы, следовательно должны быть дополнительные, негативные факторы, снижающие сопротивление усталости сварных конструкций, не учитываемые ныне действующими методиками и нормами проектирования.

К числу таких факторов, прежде всего, следует отнести нагрузки, вызывающие вторичные напряжения, колебание конструкций и вибрацию их отдельных элементов. В последние годы получены новые доказательства важности учета вибраций при проектировании сварных конструкций крановых мостов. Требуется коренной пересмотр подходов к методике и принципам проектирования, изготовления и расчетов сварных конструкций крановых мостов в части обеспечения их сопротивления усталости.

Целесообразность скорейшего решения этих проблем подтверждается результатами исследований, полученных ДГМА и другими научными организациями. Некоторые новые положения, установленные в ДГМА [1] приведены ниже:

-место зарождения и конфигурация основной массы усталостных трещин свидетельствует, что они образуются от действия нагрузок, вызываемых главным образом, силовым взаимодействием колес крана с рельсами при его движении вдоль путей;

-повреждения сварных мостов, как правило, происходят на кранах, имеющих интенсивный износ колесных реборд. Износ вызывается действием поперечных сил в контакте колесо-рельс при движении кранов, имеющих монтажный перекос ходовых колес в горизонтальной плоскости, т.е. когда силовое взаимодействие в контактах колесо-рельс инициирует высокочастотные нагрузки;

-поперечные нагрузки являются суммой двух (или нескольких) переменных сил, действующих на колеса крана, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях и получаются наложением на переменную составляющую (рис. 5) с низкой частотой и большой амплитудой, высокочастотных составляющих с меньшими амплитудами [7,8];

-низкочастотная составляющая возбуждается при движении крана по рельсам, установленным с отклонениями по высоте.

Величины амплитуд низкочастотных составляющих прямопропорциональны крутильной жесткости моста и разности отклонений рельсов по высоте в одном поперечном сечении пролета. Высокочастотные составляющие, действующие в горизонтальной плоскости возбуждаются при качении колес, имеющих монтажный перекос в горизонтальной плоскости, а в вертикальной при выползании вверх и последующем срыве вниз колесных реборд по боковой грани рельсов;

-причиной появления вибрации может быть неудовлетворительная центровка и балансировка вращающихся деталей приводов, а также неудовлетворительный контакт зубьев колесных пар в редукторах;

-циклическая долговечность сварного моста при действии двухчастотной (или поличастотной) нагрузки, получаемой наложением на переменную составляющую с низкой частотой и большой амплитудой, высокочастотных составляющих с меньшими амплитудами, может существенно снизиться, если место источника вибрации (контакты колесо-рельс, редуктор) близко расположенного к сварному шву, подверженного действию низкочастотной составляющей (буксовые узлы концевых балок, места примыкания главных балок к концевым, монтажные швы концевых балок).

Имеется мнение, что образование трещин в описанных выше случаях может быть вызвано “вторичными напряжениями”, которые не учитываются в общепринятых методиках расчета конструкций на прочность. Эти напряжения часто образуются в результате совместных деформаций элементов входящих в сварной узел или конструкцию и имеющих различную жесткость. Как утверждают некоторые ученые сами по себе вторичные напряжения не могут привести к снижению циклической долговечности, но это снижение вполне объяснимо, если принять во внимание, что на вторичные низкочастотные накладываются более высокочастотные напряжения от вибрации элементов (рис. 5). Считается необходимым это суммарное воздействие двухчастотных (или поличастотных) нагружений принять в целом как “единый вид внешнего воздействия”.

Исследования причин усталостных повреждений атомных реакторов и корпусов подводных лодок, также показали, что двух, а в общем случае и поличастотные нагружения, существенно снижают циклическую долговечность материалов и соединений.

Методы повышения сопротивления усталости сварных соединений и конструкций кранов можно разделить на три принципиально отличные группы:

-повышение сопротивления усталости местной обработкой сварных швов,

-рациональное конструктивное оформление сварных узлов,

-рациональное схемно-конструктивное решение крановых мостов в целом.

Первая группа: широко применяется в настоящее время для повышения сопротивления усталости сварных соединений. Основана на уменьшении концентрации напряжений в местах перехода шва к основному металлу, где чаще всего зарождаются усталостные трещины, либо на искусственном наведении остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях металла шва и околошовной зоны.

Вторая группа: Основа методов – рациональное конструктивное оформление сварных узлов входящих в мост крана. Позволяет обеспечить равномерную передачу силового потока в элементах конструкции моста, входящих в узел, т.е. устранить концентрацию напряжений конструктивным путем в пределах сварного узла и примыкающих к нему элементах, уменьшить влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных швов и узла в целом, устранить деформационное старение стали в сварных соединениях.

Рациональность и достаточность применения их в конструкции при создании машин зависит от квалификации проектировщика, т.е. инженера- специалиста по подъемно-транспортной технике, который должен иметь соответствующую, специальную подготовку.

Третья группа: Включает методы устранения факторов вызывающих усталостные повреждения сварного моста при его движении вдоль пролета. Эти методы основаны на совершенствовании схемно-компоновочного решения моста и крана в целом, с целью устранить или существенно уменьшить размах сил реакций в контактах колесо-рельс, т.е. устранить изменение усилий и напряжений в конструкции моста при движении крана по путям, имеющим отклонения от проектных размеров, а также устранить возможность появления вибрации.