Прогнозирование долговечности металлических конструкций портальных кранов

Основные выводы и результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. На основании обзора и анализа существующих методик расчета на сопротивление усталости элементов металлоконструкции портальных кранов было показано, что в настоящее время не существует методики прогнозирования долговечности металлических конструкций стреловых систем на стадии проектирования и при оценке остаточного ресурса, обеспечивающей учет основных факторов эксплуатационного нагружения. Известная методика вероятностных расчётов портальных кранов, основанная на статистических данных, собранных для старых моделей машин, не позволяет решать указанные проблемы, в связи с высокой стоимостью и трудоемкостью сбора статистических данных по постоянно совершенствующимся кранам.

Данное обстоятельство определило цель настоящей работы как создание методического обеспечения прогнозирования долговечности металлических конструкций портальных кранов, основанного на методах статистического моделирования.

2. Разработана методика, алгоритм и программная реализация статистического моделирования эксплуатационной нагруженности элементов шарнирно-сочлененной стреловой системы портального крана, которая позволяет учитывать геометрию и кинематику стреловой системы, динамические нагрузки и особенности систем управления приводами механизмов. Даны рекомендации по оценке параметров глобального цикла нагружения конструкции для расчета на сопротивление усталости.

3. Разработана методика, алгоритм и программная реализация расчёта металлических конструкций стреловой системы на сопротивление усталости и определения их долговечности, которая может быть применена как на стадии проектирования конструкции и выбора конструктивных решений, так и при оценке остаточного ресурса кранов, отработавших нормативный срок службы. Данная методика использует результаты статистического моделирования эксплуатационной нагруженности конструкций.

4. На основании статистического анализа структуры циклического нагружения конструкции создаваемого при совершении краном рабочего цикла получены оценки коэффициента циклического нагружения с, е для элементов стреловой системы (стрелы, хобота, оттяжки). Применение этого коэффициента упрощает алгоритм прогнозирования долговечности конструкций.

5. С использованием разработанных методик и программ выполнен анализ влияния собственной массы стреловой системы, геометрических параметров траектории перемещения груза, динамических нагрузок, углов раскачивания грузовых канатов на долговечность стрелы и хобота. Результаты этого анализа дали основание утверждать, что наиболее существенное влияние на долговечность элементов стреловой системы оказывают углы раскачивания грузовых канатов.

6. Анализ показал, что применение приводов с частотной системой управления, которое может обеспечить уменьшение углов отклонения и количества качаний грузовых канатов повысит долговечность элементов стреловой системы в 6 -г 7 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В настоящем диссертационном исследовании разработан ряд методических материалов, направленных на развитие и совершенствование методического обеспечения оценки долговечности и остаточного ресурса грузоподъемных кранов, и являющихся новым научным результатом в области обеспечения надежности подъемно-транспортных машин.

1. Д. Е. Бортяков, А. Н. Орлов, С. Г. Суфтин. Общие расчеты стреловых кранов: Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ. — 2006. — 297с&bdquo- 16−31с.

2. Брауде. В. И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин. Л., Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1978, 232 с.

3. Гетман А. Ф. Усталость и циклическая пластичность металлов в связи с их структурной неоднородностью. С.27−29.

4. ГОСТ 25.101−83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статического представления результатов. М., 1983.-30с.

5. Гохберг М. М. Машина для испытаний на усталость, — Тр. Ленингр. политехи, ин-та, 1951.

6. Гохберг М. М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1969.

7. Гохберг М. М. Усталостная прочность крановых металлических конструкций // Вопросы теории и расчета подъемно-транспортных машин. М.: Машгиз, 1957.

8. Гохберг М. М. Усталостная прочность металлических конструкций машин // Тр. ЛПИ. 1967.-№ 282.-С. 147- 160.

9. Гохберг М. М. Металлические конструкции кранов. Расчет с учетом явлений усталости. М.: Машгиз, 1959. 182 с.

10. Гохберг М. М., Розовский Н. Я. Сопротивление усталости элементов металлических конструкций при стационарном и нестационарном режимах нагружения. Тр. Ленингр. политехи, ин-та, 1966, 269, с.91−100.

11. Зарецкий A.A. Расчёт металлических конструкций кранов на усталость по предельным состояниям // Вестник машиностроения. 1987. -№ 7. — с. 42−43.

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

13. ПБ 10−382−00. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов, ГОСГОРТЕХНАДЗОР России, 1999. 125 с.

14. Портальные краны: Учебное пособие/Под ред. Хальфина М. НЮж-Рос. гос. тех. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. -318с.

15. РД 24−112−4Р. Руководящий документ по оценке остаточного ресурса портальных кранов.

16. СНиП 2.01.07−85. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2003. -44 с.

17. СНиП П-23−81. Стальные конструкции / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. — 96 с.

18. С. А. Соколов. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин: Учебное пособие. СПб.: Политехника, 2005. — 423 с.

19. Специальные краны/ П. З. Петухов, Г. П. Ксюнин, Л. Г. Серлин М.: Машиностроение, 1985, 248 с.

20. Справочник по кранам. В 2 т.: Т.1/ В. И. Брауде, М. М. Гохберг, И. Е. Звягин и др. / Под общ. ред. М. М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988, 536с.

21. Справочник по кранам. В 2 т.: Т.2/ М. П. Александров, М. М. Гохберг, A.A. Ковин и др. / Под общ. ред. М. М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988, 559с.

22. С. П. Тимошенко. История науки о сопротивлении материалов. М.: Гос. Изд-во техн.-теоретич. лит-ры, 1957. — 536 с.

23. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. — Киев: Наук, думка, 1981. 344 с.

24. Трощенко В. Т. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении, 1987, 255 с.

25. Труды Ленинградского института водного транспорта. Выпуск 128. Механизация и оборудование портов. Редактор В. А. Халимов Л., Изд-во «ТРАНСПОРТ», Ленинград, 1971, 180 с.

26. Труфяков В. И. Пределы выносливости сварных соединений из стали М16С // Автоматическая сварка. 1963. № 2. — С. 17−25.

27. Труфяков В. И. Сопротивление сварных соединений усталостным разрушениям с учетом влияния остаточных напряжений // Научные проблемы сварки и специальной электрометаллургии. 1970. Том 2. — С. 123 — 132.

28. Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. — Киев: наукова думка, 1973.-216с.

29. Труфяков В. И., Кудрявцев Ю. Ф. К расчетной оценке влияния внешнего нагружения на релаксацию остаточных сварочных напряжений // Автоматическая сварка. 1988. -№ 1, — С. 7−9.

30. Юшкевич В. Н., Овсянников В. В. К расчетной оценке коэффициентов концентрации напряжений в сварных соединениях крановых металлоконструкций, — Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1979, № 441, — 21 с.

31. Юшкевич В. Н. К расчетной оценке относительных градиентов напряжений в околошовной зоне сварных соединений при растяжении и изгибе.- Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1982, № 957, — 17 с.

32. Юшкевич В. Н. Расчетное определение пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций, — Тр. Ленингр. политехи, ин-та, 1970, № 314, с.173−180.

33. Юшкевич В. Н. К оценке выносливости элементов металлоконструкций, испытывающих местный изгиб.- Тр. Ленингр. политехи, ин-та, 1975, № 347, с. 21−28.

34. Юшкевич В. Н. К оценке эффективных коэффициентов концентрации напряжений натурных сварных соединений.- Тр. Ленингр. политехи, ин-та, 1978, № 362, с.12−20.

35. Юшкевич В. Н., Смелый В. В. Исследование остаточных напряжений в сварных соединениях заводского изготовления.- Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1982, № 913.44 с.

36. Юшкевич В. Н., Смелый В. В. Статистическое исследование механических характеристик металла элементов крановых металлоконструкций.- В кн.:

37. Металлические конструкции кранов. Исследование конвейеров. Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1983, № 1086, с. 130- 185.

38. Юшкевич В. Н. Вопросы расчетной оценки пределов выносливости элементов металлоконструкций кранов, — Доклад на Президиуме НМС 1Ш при Минвузе СССР.-Алма-Ата, 1983, — 20 с.

39. Юшкевич В. Н. Метод оценки усталостных характеристик сварных соединений.- Тр. Ленингр. политехи, ин-та, 1983, № 395,с.54−59.

40. Юшкевич В. Н., Соколов С. А., Смелый В. В. Статистическое исследование параметров поперечных сечений сварных швов в крановых металлоконструкциях.- Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1983, № 993. 83 с.

41. Almen J.О. Mechanical Wear.- American Society of Metals, 1950, p.229−288.

42. Bastenaire P. Etude statistique et physique de la dispersion de resistances et de endurances a" la fatigue (These de Doctorat d’Etat, Faculte des Science, Sorbonne, Paris, I960).

43. Baxter D.E., Modlen G.F. Some factors affecting the fatigue strength of fillet welds.- British Weld. J., 1966, vol. 13, If 4, p. 184−188.

44. DIN 15 018. Teil 1. Krane. Grundsaetze fuer Stahltragwerke Berechnung.-1984.

45. EC3, ENV 1993;1−9, Eurocode 3: Design of steel structures. Fatigue strength of steel structures. European committee for Standardisation. Brussels, 2000.

46. Freudenthal A.M. The statistical aspect of fatigue of metals. Proc. Royal Society, 1946, A187, p.416−429.

47. Frost IT.E., Marsh K.J. and Pook L.P. Metal Fatigue: Clarendon Press, Oxford, 1974, — 480 P.

48. Guerrera V. Fatigue of Welded Structures Discussion. Brit. Weld. J., I960, vol.7, fir 8, p.513−516.

49. Haibach E., Olivier R. and Rinaldi F. Statistical design and analysis of an interlaboratory program on the fatigue properties of welded joints in structural steels In: Statistical Analysis of Fatigue Data, ASTM STP 744./ Eds. R.E.

50. IIW, Design recommendations for cyclic loaded welded steel structures/ welding in the World/ 1982. — 20 (7/8). — Р/ 153−165.

51. J.C.Ekvall, American Society for Testing and Materials, 1981, p.24−54.

52. Heywood R.B. Relation between Fatigue and Stress Concentration.- Aircraft Engineering, Mar. 1947, If 19, p.81−84.

53. Heywood R.B. Stress Concentiation Factors: relating theoretical and practical factors in fatigue loading.- Engineering, vol.179, 4/2/55, p.146−148.

54. Hobbacher A. Stress range curves and design classes of the proposed fatigue design rules for welded joits. IIW I oc. JWG XIII-XV-39−79.

55. Hudak Jr.S.R. Small Crack Behaviour and the Prediction of Fatigue Life.- Trans. ASME J. Eng. Mater, and Techn. /Engg. Fluid, 1981, N 1, p. 28−39.

56. Johnson G.O. Weld Reliability using a statistical approach to fracture and fatigue.- Proc. 3 rd National Reliability Conf. Reliability'81. Biraingham, 29 Apr. 1 May, 1981, vol.1, 3c. l/l-3c.l/18.

57. Maddox S. J. The effect of plate thickness on the fatigue strength of fillet welded joints. Abington Weld. Inst, 1987. 48 p.

58. Merritt Frederik S. Structural Steel Designer’s Handbook. -N.Y., 1972. 145.

59. Sarkani S., Lutes Loren D. Fatigue exsperiments for welded joints under pseudo-narrowband loads // Struct, eng. 1988. Vol. 114 (№ 8). -P. 1901;1916.

60. Soete W., Crombrugge R. A Study of Fatigue Strength of Welded Joints.- Welding J., 1952, vol.31, N 2, p, 100s-103s.

61. Spraragen W., Claussen G.E. Fatigue Strength of Welded Joints.- A Review of Literature to October 1, 1936, — Welding J., 1937, vol.16, li 1, p. ls-44 s.

62. Weibull V/. A statistical Representation of Fatigue Failure in Solids! Royal Inst, of Tech. Trans., Stockholm, 1949, BT 27.

63. Willenborg J., Engle R.M., Wood H.A. A Crack Growth Retardation Model Using an Effective Stress Concept.- WPAFB, TM-71−1-FBR, 1971.8b.