СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК Российский патент 1999 года по МПК B66C7/00 

Предлагаемое изобретение относится к подкрановым конструкциям преимущественно черной и цветной металлургии при тяжелом интенсивном режиме работы кранов (8К...7К).

В смежных цехах, оснащенных параллельными балками [3, с.153, рис.8.3], каждая из ниток балок [3, с.176, рис. 10.1] работает самостоятельно, так как представляют в сечении незамкнутое П-образное сечение, образованное двумя балками, верхние пояса которых соединены друг с другом горизонтальным тормозным листом. Такое сечение незамкнуто, плохо работает на кручение и каждая из балок рассчитывается самостоятельно при загружении одного из пролетов цеха [3, с.153, рис.8.3].

Известны трубчатые параллельные сечения (половинки моста) крановых мостов [5, с.370, рис. 157] или нижний пояс подкраново-подстропильной фермы [6, с.186, рис. 10.8], отлично работающие на кручение (аналог).

Известен также способ усиления подкрановой балки путем увеличения ее сечения [1, с. 315, рис.10.6],[1, с.317, рис.10.7] (прототип). Недостатки прототипа - значительное увеличение материалоемкости и низкая долговечность усиленных таким способом подкрановых конструкций [2], так как при усилении возникли дополнительные сильные (до четырех единиц) концентраторы напряжений, являющееся очагами зарождения усталостных трещин.

К сожалению, параллельные подкрановые балки двух смежных пролетов цеха не объединяются в замкнутое трубчатое сечение.

Технический результат изобретения - снижение материалоемкости при усилении, повышение надежности и выносливости.

Он достигнут изменением конструктивной формы сечения, соединением нижних поясов параллельных подкрановых балок смежных пролетов цеха, имеющих П-образное сечение, сплошным листом в единый замкнутый трубчатый стержень.

Момент инерции при кручении ΣJ_кр такого стержня в 4000...4500 раз больше (! ! ), чем момент инерции J_кр каждой из балок, а момент инерции при изгибе ΣJ_x и момент сопротивления ΣW_x в 2,5...3 раза больше, чем каждой из балок, то есть несущая способность сечения резко повышена.

Надежность же конструкции повышена во много раз, так как даже полное разрушение нижнего пояса одной из балок исключает ее обрушение. Затраты же дополнительного металла незначительны и составляют 10...13% от общей первоначальной площади сечения.

Повышение выносливости достигнуто снижением концентраций в 2,5...3 раза [3, с. 138] . Сопоставление с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена конструктивная форма параллельных подкрановых балок превращением открытого П-образного профиля в замкнутый и объединением двух балок в единый пространственный стержень. В результате значительно повышены несущая способность и надежность каждой из подкрановых балок с минимальными затратами дополнительного металла. В предложенном решении высокая концентрация напряжений устранена и за счет этого повышена выносливость. В прототипе же несущая способность повышается за счет значительного увеличения материалоемкости [1, с.330, рис. 10.13,а]. Одновременно добавляется недопустимо высокая концентрация напряжения, достигающая четырех единиц [3, с.138, п.10] и наблюдается снижение надежности, так как применены решения с высокой концентрацией напряжений.

В конструкциях мостовых кранов известны технические решения, в которых применены коробчатые замкнутые сечения, отлично работающие при кручении [5, с.370, рис. 157]. Однако неизвестно усиление смежных подкрановых балок изменением формы их сечения объединением двух балок в единый трубчатый стержень. В известных решениях также применены узлы с высокой концентрацией напряжений. На чертеже показано усиление двух параллельных подкрановых балок, имеющих П-образное сечение посредством превращения открытого профиля из двух балок в единый пространственный трубчатый стержень. До усиления верхний пояс одной балки 1 соединен сплошным тормозным листом 2 с поясом другой балки 3, образуя П-образный открытый профиль. Соединением нижних поясов балок листом усиления 4 открытый П-образный профиль превращен в замкнутый трубчатый.

Для повышения выносливости верхней четверти опорных и промежуточных вертикальных ребер срезаны газорезкой и остатки швов зачищены заподлицо шлифовальным кругом, то есть высокая концентрация напряжений устранена. Стенки смежных балок 1 и 3, тормозной лист 2 и лист усиления 4 соединены упругим кольцом 6 посредством высокопрочных шпилек 7. Кольца 6 обеспечивают совместную работу балок и предотвращают потерю устойчивости стенок балок и тормозной балки.

Усиление подкрановых балок производится без остановки основного производственного процесса следующим образом. Заготавливают листы усиления 4 и кольца 6 из стали спокойной плавки и образуют в них отверстия для шпилек 7. Размещают упругие кольца 6 между балок и соединяют листы усиления 4 с нижними поясами балок 1 и 3. Навешивают на мостовой кран ориентируемый в пространстве сверлильный станок и образуют в балках 1 и 3 и тормозном листе 2 отверстия для высокопрочных шпилек 7. Устанавливают высокопрочные шпильки 7 и затягивают их пневмогайковертом 6 с гарантированным натягом, обеспечивая совместную работу балок 1 и 3 и тормозного листа 2 и листа усиления 4 как единого целого и, обеспечивая дополнительные опоры стенкам балок 1 и 3 и листам 2 и 4, повышают их устойчивость. Заключительным этапом срезают газорезкой верхние четверти вертикальных ребер 5 и зачищают остатки швов шлифовальным кругом, уменьшая концентрацию напряжений в 2...3 раза и соответствующим образом повышая выносливость подкрановых балок. На верхние торцы срезанных вертикальных ребер укладывают продольное по всей длине балки ребро 8 с имеющимися в нем отверстиями, совмещая их с ответными отверстиями в верхнем поясе каждой из балок 1 и 3, приваривают продольное ребро 8 в удобном положении сверху вниз к стенке каждой из балок и соединяют ребро 8 с верхним поясом посредством швеллеров 9, равных по длине балке и ориентированных полками наружу, высокопрочными шпильками с гарантированным натягом. Для обеспечения монтажа швеллеры 9 могут быть выполнены короткими длиной, например, 500...1000 мм и установлены с шагом 500...1000 мм.

Экономический эффект возникает из-за увеличения момента инерции при кручении в 4000...4500 раз (!!) и повышения несущей способности каждой из балок в 2. ..3 раза, так как обеспечена работа двух смежных подкрановых балок как единого стержня. Достигнуто увеличение надежности подкрановой конструкции в несколько раз, так как обрушение одной из балок исключено. Достигнуто повышение выносливости каждой из балок, так как опасные концентраторы напряжений, являющиеся очагами возникновения усталостных трещин, устранены. Касательные же напряжения при свободном кручении несмотря на значительное увеличение эксцентриситета уменьшаются в 2,5...3 раза из-за резкого увеличения момента инерции при кручении.

Пример конкретного усиления
Усилим подкрановую балку, рассчитанную в [4,с.391, рис. 15.23].

Будем считать, что в смежных пролетах установлены две одинаковые балки и соединены наверху тормозным листом.

Требуется увеличить несущую способность и надежность каждой из подкрановых балок.

Момент инерции одной из балок



Момент инерции всего сечения
ΣJ_x = 2(J_x+A_усa²);
ΣJ_x = 2(714938,7+84•60²)=2034677 с м³ (284,6%).

Момент сопротивления всего сечения

Несущая способность увеличилась в 2,83 раза.

Площадь сечения одной балки
84•2+116=284 см².

Всего сечения (было)
2•284+84=652 см² (110%).

Усиления A_ус = 84 см²(12,3%).

Таким образом, при увеличении площади сечения на 12,3% несущая способность повысилась в 2,83 раза.

Сравним моменты инерции при кручении одной балки и всего сечения.

Момент инерции при кручении одной балки [5, с.222, ф.4.37]

Момент инерции при кручении всего сечения [5, с.223. ф.4.41]

где A - площадь, ограниченная замкнутым контуром A = 116•150 =17400 см²;
S - длина стороны периметра;
γ = 1.
Момент инерции при кручении возрос в 1654426/367,7=4498 раз!
Эксцентриситет приложения силы для одной балки был 2 см (эксцентриситет смещения рельса). Для всего сечения эксцентриситет стал 150/2+2=77 см.

Таким образом, эксцентриситет возрос всего в 77/2=33,5 раза.

Касательные напряжения при свободном кручении для одной балки (было) [5, с.222]

где M_кр=PE=3880•2=7760 г H•cm.

Для всего сечения [5, с.223, ф.4.39]

Несмотря на увеличение эксцентриситета, касательные напряжения уменьшились в три раза.

Источники информации
1. Бирюлев В. В., Кошин И.И., Крылов И.И. Проектирование металлических конструкций: Спец. курс. Учебное пособие для вузов.- Л.: Стройиздат, 1990, 432 с.

2. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета. - Автореферат дисс. доктора техн. наук. - Москва, 1993.

3. Справочник по кранам: В 2 т. Т 1 В.И.Броуде, М.М. Гохберг и др. Под общ. ред. М.М.Гохберга. - М.: Стройиздат, Машиностроение, 1988, 536 с.

4. Беленя Е.И. и др. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1986, 560 с.

5. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. - Л.: Машиностроение, 1969, 520 с.

6. Справочник проектировщика: Металлические конструкции./ Под общ. ред. Н.П.Мельникова. - М.: Стройиздат, 1980, 776с.

Усиление двух параллельных подкрановых балок, имеющих П-образное сечение, производят посредством превращения открытого профиля каждой из балок в единый пространственный трубчатый стержень, соединяя нижние пояса балок листом усиления, образуя замкнутый трубчатый профиль, стенки смежных балок, тормозной лист и лист усиления соединяют упругим кольцом посредством высокопрочных шпилек, при этом кольцо обеспечивает совместную работу балок и предотвращает потерю устойчивости стенок балок, что позволяет снизить материалоемкость при усилении и повышении надежности данной конструкции. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ усиления параллельных подкрановых балок смежных пролетов промзданий, представляющих собой подкрановую конструкцию не замкнутого П-образного сечения, образованного соединением верхних поясов балок смежных пролетов тормозным листом, отличающийся тем, что нижние пояса балок соединяют листом усиления, при этом внутри образовавшейся подкрановой конструкции замкнутого трубчатого контура сечения размещают упругие кольца, соединяют их со стенками смежных балок, тормозным листом и листом усиления посредством высокопрочных шпилек. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для усиления каждой из балок подкрановой конструкции, имеющей опорные и промежуточные ребра жесткости, срезают последние в верхней четверти, ликвидируют концентраторы напряжений, зачищая их шлифовальным кругом, заготавливают продольное ребро жесткости, равное длине балки, сверлят в нем по шаблону отверстия, ответные отверстиям в верхнем поясе балки, кладут продольное ребро на торцы срезанных вертикальных ребер, совмещают отверстия в верхнем поясе и продольном ребре, фиксируют и приваривают его к стенке верхним швом в удобном положении, по этому же шаблону сверлят отверстия в полках усиливающего швеллера, равного длине балки, совмещают отверстия в полках швеллера с ответными отверстиями в полке балки и продольном ребре и соединяют швеллеры с каждой из балок, образуя замкнутые контуры.