СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЛЬСА Российский патент 2015 года по МПК B21B1/46 B66C7/00 

Предлагаемое изобретение относится к подкрановым конструкция с тяжелым 8K, 7К непрерывным режимом работы мостовых кранов и интенсивной эксплуатацией, а также к железнодорожному транспорту.

Крановые рельсы и конструкция верхней части подкрановой балки являются макрорегуляторами амплитуд колебаний локальных напряжений ; ; [1, 2, 3] в подрельсовой зоне подкрановых балок. Чем больше амплитуды колебаний локальных напряжений, тем быстрее возникают в подрельсовой зоне стенок подкрановых балок усталостные трещины и тем быстрее эти опасные усталостные трещины растут и сливаются друг с другом.

Амплитуды колебаний локальных напряжений ; ; в сильной степени зависят от момента инерции кручения применяемого кранового рельса и момента инерции его при изгибе .

Управляя величиной основных характеристик кручения крановых рельсов и изгиба , легко управлять техническим ресурсом [4, с. 1199] и выносливостью [4, с. 235] подрельсовой зоны подкрановых балок с тяжелым режимом работы мостовых кранов 8К, 7К [1, 2, 3].

В качестве ближайшего аналога, заявленного изобретения принимается способ изготовления рельса, включающий отливку заготовки рельса и ее прокатку раскрытый в документе (RU 201114176 А, В21В 1/085, 27.04.2013) [5]. Известны стандартные крановые рельсы по ГОСТ 4121-62* с фигурным профилем сечения [6, с. 60].

Даже самый массивный (мощный) рельс КР 140 по ГОСТ 4121-62* не имеет достаточных моментов инерции кручения и изгиба .

Моменты инерции и рельса КР 140 недостаточны для уменьшения амплитуд опасных колебаний локальных напряжений ; ; в подрельсовой зоне подкрановых балок [7, 8, 9, 10] до безопасных величин. То есть на такую величину, чтобы не допустить зарождения опасных усталостных трещин в зоне стыка верхнего пояса со стенкой подкрановой балки, следовательно, и не обеспечивают достаточного технического ресурса.

Колебания локальных напряжений при циклических динамических воздействиях колес мостовых кранов приводят к возникновению усталостных трещин [1…10] в зоне сварного стыка верхнего пояса со стенкой подкрановой балки.

При накоплении миллионов динамических воздействиях колес происходит быстрый рост и развитие усталостных трещин вдоль верхнего пояса, что увеличивает вероятность обрушения подкрановой балки вместе с мостовым краном с грузом, например, жидкой сталью. Усталостные трещины опасно снижают срок безопасной эксплуатации и технический ресурс подкрановых балок [1…10]. Любые трещины в стальных конструкциях недопустимы [11].

Актуальность гарантирования безопасной эксплуатации подкрановых балок в цехах черной и цветной металлургии высокая. Предлагаем гарантировать безопасную эксплуатацию подкрановых балок совершенствованием проката прямоугольных крановых рельсов и узлов их соединения с верхними поясами балок.

В настоящее время применяют стандартные крановые рельсы с фигурным профилем сечения по ГОСТ 4121-62* [6, с. 60]. Моменты инерции кручения этих рельсов , рассчитанные Митюговым Е.А. [12], завышены [5…8]. Например, для рельса КР-140 полученное им значение завышено в 3,584 раза [9, 10].

Техническая задача изготовления рельса включает отливку прямоугольной в сечении заготовки непрерывным литьем из легированной марганцовистой стали марки 35ГС, со следующим химическим составом: углерод 0,3-0,37; марганец 0,8-1,2; кремний 0,60,9; хром не более 0,3%; никель не более 0,3%; медь не более 0,3%; вредные примеси: серы не более 0,045%; фосфора не более 0,04%; азота не более 0,012%; железо остальное.

Охлаждение литой заготовки до температуры пластического состояния, транспортировку ее поступательно в клеть прокатного стана, поддержание температуры прокатки в пределах 950-1050°C, прокатку с обжатием пластичной заготовки с четырех сторон валками клети с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 7,8 в рельс прямоугольного сечения h к его ширине t, равным 2,7-2,8.

Во время прокатки, с обжатием пластичной заготовки, формируют симметричную пару боковых продольных гребней сечением 15×15-20×20 мм на подошве рельса для неподвижного прикрепления подошвы рельса к верхнему поясу подкрановой балки. Охлаждение до температуры 535-580°C осуществляют водой, а затем рельс режут на мерные длины.

Увеличение технического ресурса подкрановой балки достигают увеличением момента инерции кручения рельса в 3…3,58 раза. Такое значительное увеличение одной из главных характеристик рельса достигнуто прокатом рельса из заготовки, полученной непрерывным литьем.

Рельс прокатывают прямоугольного профиля [10] сечения из легированной стали с отношением высоты сечения к его ширине n=h/t=2,6…2,8 [10], где h - высота сечения; t - ширина сечения.

Снижение трудоемкости проката достигнуто значительным упрощением профиля сечения (рельс имеет прямоугольный профиль).

Прямоугольный профиль сечения рельса [10] обеспечивает увеличение момента инерции кручения рельса в 3…3,58 раза. Легированная марганцовистая сталь, например, марки 35ГС [4, с. 799] обеспечивает высокую стойкость рельса к истиранию в зоне контакта с гребнями колес кранов.

Увеличение момента инерции кручения рельса в 3…3,58 раза, в свою очередь, повышает технический ресурс подкрановых балок.

Прямоугольный прокатный профиль рельса неподвижно прикрепляют к верхнему поясу подкрановой балки фрикционным соединением с помощью пары уголковых профилей. Фрикционное соединение обеспечивает исключение сдвигов в соединении.

Легированная марганцовистая сталь [4, с. 632], имеет следующий химический состав: углерод 0,30…0,37; марганец 0,8…1,2; кремний 0,6…0,9; хром не более 0,30%; никель не более 0,30%; медь не более 0,30%. Содержание вредных примесей: серы не более 0,045%; фосфора не более 0,040%; азота не более 0,012%; железо - остальное. При этом суммарный коэффициент вытяжки при прокате устанавливают не менее 7,8. [4, с. 799],

Отношением высоты прямоугольного сечения к его ширине n=h/t=2,6…2,8, где h - высота сечения; t - ширина сечения.

Повышают момент инерции кручения рельса [11, с. 19] в 2,8…4,8 раза по сравнению со стандартным рельсом фигурного профиля по ГОСТ 4121-62* [9, с. 60].

Рельс неподвижно соединяют с верхним поясом подкрановой балки с помощью симметричной пары уголков, выступающих в бока, и высокоресурсных фрикционных шпилек [Арт], соединяющих полки уголков как с рельсом, так и с подкрановой балкой. Гайки фрикционных шпилек с гарантией затягивают гайковертом и исключают сдвиги в соединении.

На фиг. 1 показано прямоугольное сечение рельса из прокатного толстостенного профиля неподвижно присоединенного к подкрановой балке.

Пример конкретной реализации

Момент инерции кручения стандартного кранового рельса с фигурным профилем сечения ГОСТ 4121-62* сильно зависит от ширины шейки рельса [5…8]. Увеличение ширины шейки t_ш рельса, при неизменной площади сечения А, приводит к быстрому увеличению момента инерции кручения . Увеличение момента инерции кручения продолжается вплоть до превращения фигурного профиля сечения в сплошной прямоугольный [6…8] (или квадратный) в сечении профиль. Однако момент инерции изгиба зависит от куба высоты сечения рельса. Допускать снижение момент инерции изгиба рельса прямоугольного профиля по отношению к стандартному рельсу с фигурным профилем сечения (ГОСТ 4121-62*) не следует, так как рельса влияет на амплитуды колебаний локальных напряжений и на выносливость узла соединения. Поэтому принимаем равенство у стандартного фигурного профиля и у прямоугольного профиля [1, 2, 3, 4, 5].

В статьях [7…10] показано, что превращение фигурного профиля рельса в квадрат с такой же площадью сечения приводит к экстремальному возрастанию момента инерции кручения в 3,1 раза. Однако фигурный рельсовый профиль лучше вписывается в прямоугольник.

В современном сортаменте при расчете на выносливость используются завышенные моменты инерции кручения крановых рельсов ГОСТ 4121-62*, рассчитанные Митюговым Е.А. [9,с.60], [10].

Моменты инерции кручения рельсов и любых других сплошных профилей увеличиваются при концентрации материала в центре. Например, max моментом инерции кручения обладает круглый в сечении сплошной стержень J_Кр=J_Р=πD⁴/32, однако такой стержень для рельса плохо подходит. Прямоугольные сплошные профили также обладают большими моментами инерции кручения [11, с. 29].

В статье показано, что фигурный профиль рельса легко заменить эквивалентным двутавровым толстостенным рельсом, составленным из трех прямоугольников, причем площадь сечения А и момент инерции рельса при изгибе у них будут совпадать.

Моменты инерции кручения толстостенных двутавровых рельсов, эквивалентных стандартным двутавровым рельсам [9, с. 60], были найдены с достаточной точностью по известным математическим формулам, приведенным в «Справочнике по сопротивлению материалов» [11, с. 29]. Поскольку контур толстостенного двутаврового рельса близок по очертанию к сечению толстостенного стандартного двутаврового рельса [8, с. 60], а их площади сечения и момент инерции при изгибе совпадают, поэтому их моменты инерции кручения также будут с достаточной точностью совпадать (см. табл. 1).

В табл. 2 приведены параметры толстостенных двутавровых в сечении рельсов, эквивалентных по площади А и моментам инерции стандартным крановым рельсам по ГОСТ 4121-62* [9, с. 60]. У стандартных крановых рельсов рекомендуем использовать в расчетах такие же моменты инерции при свободном кручении, так как эквивалентные профили подобраны при точном совпадении площадей А и моментов инерции рельсов .

Алгоритм замены стандартного кранового рельса прокатным прямоугольным в сечении рельсом

1. Заменяем стандартный крановый рельс (ГОСТ 4121-62*) с фигурным профилем сечения КР 140 [6, с. 60] с площадью сечения А=195,53 см², моментом инерции эквивалентным равновеликим по площади сечения А готовым прямоугольным прокатным профилем.

2. Определяем ориентировочную высоту сечения рельса. Записываем момент инерции прямоугольного рельса относительно главной оси X: высота сечения

3. Определяем ширину t прямоугольного рельса ; отношение . Увеличение

4. Округляем размеры:

5. Отношение высоты сечения рельса к его ширине t: . Ув. К_Ув=4217,06/1176,5=3,584 раза! Аналогично для нового массивного рельса КР max А=246,14 см², ; ; A^факт=h·t=25·10=250; . Увеличение 6235,5/2033,7=3,07 раза! Рельс КР 120. . .

Увеличение 1923,8/485,4=3,96 раза!

Рельс КР 100. . . A^факт=h·t=16·7.5=120; . Увеличение 1460,65/404,4=3,61 раза!

Рельс КР 80. . . Увеличение 722,63/150,5=4,81 раза!

Площади А и моменты инерции рельсов и стандартного кранового рельса по ГОСТ 4121-62* совпадают с толстостенными двутавровыми рельсами, а также с рельсами прямоугольного сечения, что гарантирует эквивалентность замены.

Сопоставление со стандартными рельсами выявило следующие положительные свойства прямоугольных в сечении рельсов.

1. Прямоугольные легированные крановые рельсы имеют увеличенные моменты инерции кручения в 3,07…4,81 раза, при одинаковой материалоемкости и совпадении моментов инерции рельсов при изгибе .

2. Упрощен прокат рельсов, так как фигурный профиль заменен прокатным прямоугольным профилем.

3. Обеспечено неподвижное без сдвигов соединение прямоугольного в сечении рельса с верхним поясом подкрановой балки фрикционным соединением, исключающим сдвиги элементов.

4. Добавлен новый массивный прямоугольный крановый рельс КР max, обладающий max моментами инерции при изгибе и кручении .

5. Крановый рельс КР max позволяет снижать опасные амплитуды циклов колебания локальных напряжений, приводящих к возникновению усталостных трещин [1…8] в зоне стыка верхнего пояса со стенкой подкрановых балок до минимальных значений, и не допускать возникновение усталостных трещин при любых мостовых кранах.

6. Крановый рельс КР max увеличивает технический ресурс подрельсовой зоны подкрановых балок и позволяет гарантировать интенсивную безопасную эксплуатации подкрановых балок, при тяжелом 8К, 7К режиме работы мостовых кранов, в течение 20 и более лет.

7. Моменты инерции кручения и другие параметры толстостенных рельсов, эквивалентных фигурным профилям стандартных рельсов, легко определяются с достаточной точностью по формулам, полученным в прошлом столетии.

8. Значительный экономический эффект возникает из-за повышения технического ресурса и выносливости подрельсовой зоны подкрановых балок с тяжелым режимом работы мостовых кранов.

Список литературы

1. Нежданов, К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета [Текст]: дис… д-ра техн. наук / К.К. Нежданов. - Пенза, 1992. - 349 с.

2. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета [Текст]: моногр. / К.К. Нежданов. - Пенза: ПГУАС, 2008. - 288 с. (Лауреат конкурса на медали и дипломы РААСН строительных наук 2011 г. 16.02.2012 г.).

3. Сабуров В.Ф. Закономерности усталостных повреждений и разработка метода расчетной оценки долговечности подкрановых путей производственных зданий: Дисс… д-ра. техн. наук. - Челябинск: ЮУрГУ, 2002. - 388 с.

4. Болыпой энциклопедический словарь. (БЭС). Главный редактор A.M. Прохоров. НАУЧНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО «БОЛЬШАЯ РОССИЙСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ» М. 1998. С. 1456.

5. RU 201114176 А, В21В 1/085. Способ изготовления рельса. 27.04.2013.

6. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций. - Днепропетровск: Проминь, 1975, 238 с.

7. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Кузьмишкин А.А. Способ гарантирования заданной выносливости К-образного сварного шва в подрельсовой зоне стенки двутавровой подкрановой балки. - М.: Строительная механика и расчет сооружений, №1, 2008 г.

8. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Вычисление моментов инерции рельсов при кручении. - М.: Строительная механика и расчет сооружений, №3, 2008.

9. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Гарысин И.Н. Экстремальное повышение моментов инерции рельсов при кручении. - М.: Строительная механика и расчет сооружений, №6, 2011, с. 30.

10. Нежданов К.К., Кузьмишкин А.А., Гарысин И.Н. Применение толстостенных двутавровых крановых рельсов. «Региональная архитектура и строительство». - 2012. №3. - С.79…84.

11. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учебн. заведений [Е.И. Беленя, B.C. Игнатьева и др.]; под ред. Ю.И. Кудишина. - 9-е изд. стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 688 с.

12. Митюгов Е.А. К определению моментов инерции крановых рельсов. - М.: Строительная механика и расчет сооружений, №5, 1968 г.

13. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: НАУКОВА ДУМКА, 1975, 704 с.

Заявленное изобретение относится к подкрановым конструкциям с интенсивной эксплуатацией мостовых кранов, а также к железнодорожному транспорту. Отливают прямоугольную заготовку непрерывным литьем из легированной марганцовистой стали марки 35ГС. Литую заготовку охлаждают до температуры пластического состояния и транспортируют поступательно в клеть прокатного стана. Прокатывают с обжатием пластичной заготовки с четырех сторон валками клети с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 7,8 в рельс прямоугольного сечения, отношение высоты сечения h к его ширине t в котором равно 2,7-2,8, с симметричной парой боковых продольных гребней сечением 15×15-20×20 мм на подошве рельса для неподвижного прикрепления к верхнему поясу подкрановой балки. Температуру прокатки поддерживают в пределах 950-1050°C. Охлаждают рельс водой до температуры 535-580°C и режут на мерные длины. Обеспечивается значительное увеличение момента инерции рельса при кручении. 1 ил., 3 табл.

Способ изготовления рельса, включающий отливку прямоугольной в сечении заготовки непрерывным литьем из легированной марганцовистой стали марки 35ГС со следующим химическим составом, мас. %: углерод 0,3-0,37, марганец 0,8-1,2, кремний 0,6-0,9, хром не более 0,3%, никель не более 0,3%, медь не более 0,3%, сера не более 0,045%, фосфор не более 0,04%, азот не более 0,012%, железо остальное, охлаждение литой заготовки до температуры пластического состояния, транспортировку ее поступательно в клеть прокатного стана, поддержание температуры прокатки в пределах 950-1050°C, прокатку с обжатием пластичной заготовки с четырех сторон валками клети с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 7,8 в рельс прямоугольного сечения, отношение высоты сечения h к его ширине t в котором равно 2,7-2,8, с симметричной парой боковых продольных гребней сечением 15×15-20×20 мм на подошве рельса для неподвижного прикрепления к верхнему поясу подкрановой балки, охлаждение водой до температуры 535-580°C и резку рельса на мерные длины.