Динамика деформированного состояния элементов крановых конструкций

Вобликова Ю.О., Селиверстов Г.В. Тульский государственный университет.

Динамика изменения напряжённо-деформированного состояния элементов крановых конструкций.

Вопросы, связанные с повышением безопасности при эксплуатации ГПМ, на сегодняшний день являются актуальными, т.к. большая часть парка этих машин выработала свой нормативный ресурс и их использование возможно лишь после оценки их остаточного ресурса.
К наиболее часто встречающимся дефектам можно отнести такие, как, например, усталостные трещины в несущих металлоконструкциях. Учитывая, что разрушение металлоконструкций может привести к весьма серьёзным последствиям, разработано достаточно большое число методов и средств для обнаружения усталостных трещин. Большинство методов позволяют обнаружить трещину, когда она достигнет довольно больших размеров. Учитывая, что наличие трещин в несущих металлоконструкциях не допускается, более правильным является подход, основанный на прогнозировании образования макротрещин (линия Френча на кривой усталости). Также следует отметить, что трещины возникают не бессистемно, а в конкретных точках металлоконструкций. Где условия нагружения провоцируют их возникновение.

Такие места потенциального зарождения трещин можно определить одним из способов: взять за основу накопленный статистический материал или рассчитать металлоконструкцию крана методом конечных элементов. Современные пакеты САПР позволяют построение и расчёт таких моделей (например, АРМ или ANSYS). Строго говоря, нагружение крановой металлоконструкции является случайным процессом. Однако для определения потенциальных мест разрушения по конечно-элементной модели можно задаться усреднёнными нагрузками, возникающими в процессе выполнения краном типичного рабочего цикла. Данное упрощение можно считать допустимым, с учётом расчёта ресурса мест разрушения в относительных единицах.

По данным ВНИИПТМАШ наиболее часто образование трещин металлоконструкций мостовых кранов наблюдается в следующих узлах:
- В концевых балках - трещины, образующиеся в районе расположения букс ходовых колёс. Место первого очага - сварной шов, соединяющий вертикальную стенку с нижним поясом конструкции в месте, где происходит резкое изменение поперечного сечения элемента - концевой балки. Место второго очага - технологические вырезы в элементах вертикальных стенок, выполненные под болтовые соединения букс.
- В узле сопряжения главной балки с концевой. Независимо от типа конструкции узла сопряжения трещины наблюдались в вертикальных стенках главных балок районе боковых Т-образных накладок. Трещины берут своё развитие от острых углов накладки.

- В главных балках - в верхнем поясе, в районе устройства стыков тележечного рельса. В районе, где скачкообразно меняется профиль поперечного сечения - в нижнем поясе при переходе от наклонной части элемента к горизонтальной (в месте соединения стенки конструкции с нижним поясом). На вертикальной стенке - в местах, где привариваются крепёжные кронштейны, поддерживающие рабочие площадки кранов, в-особенности в местах установки и монтажа на них силовых механизмов.
- В креплении перил к торцевому листу концевой балки.
- В креплении редуктора механизма передвижения - место соединения кронштейна крепления к вертикальной стенке элемента концевой балки конструкции и к настилу несущей площадки.
- В креплении кабины машиниста-оператора крана - трещины появляются в полках уголков и косынок элементов крепления кабины машиниста к мосту крана.

Для реализации разработанных на кафедре методов диагностики усталостных повреждений крановых металлоконструкций, основанных на применении методов оптической рефлектометрии, расчёт потенциальных мест разрушения является ключевым моментом. Для анализа нагрузок, возникающих при работе мостового крана, проводилось исследование конечно-элементной модели. В процессе работы на металлоконструкцию мостового крана учитывали воздействие вертикальной нагрузки Fв, горизонтальной нагрузки Fг и продольной нагрузки Fп. Проведённые исследования конечно-элементной модели мостового крана позволили выделить ряд областей, в которых максимальные эквивалентные напряжения превышают общий фон значений. Причём за один типичный цикл нагружения, с учётом динамики данного процесса, происходит многократное силовое воздействие на выделенные области. Как правило, это области, в которых наблюдается определённая концентрация напряжений. Она может быть вызвана рядом факторов: конструктивными, технологическими и эксплуатационными.
Всего было выделено 22 области. Для оценки опасности возникновения усталостных трещин и ранжирования областей по моменту их возникновения можно воспользоваться линейной моделью накопления повреждённости. Для реализации предлагаемой методики строят конечно-элементную модель металлоконструкции и на ней моделируют её нагружение приложением переменных значений силовых факторов. Анализируют пиковые значения эквивалентных напряжений в узлах металлоконструкции и выбирают потенциальные места зарождения трещин. Для выбранных мест проводят схематизацию процесса нагружения (разложение на отдельные циклы), рассчитывая при этом асимметрию циклов.

В зависимости от концентрации напряжений и НДС в местах потенциального зарождения трещин определяют параметры для построения кривых усталости (базовое число циклов, предел выносливости, показатель степени экспериментальной кривой усталости).
Анализируя спектр нагружения в местах потенциального зарождения трещин, определяют повреждающие и неповреждающие циклы путём сравнения рассчитанного предела выносливости с действующими амплитудами напряжений. Для повреждающих циклов по математическому уравнению кривой усталости рассчитывают примерное количество циклов нагружения конструкции до образования магистральной трещины в элементе критического размера и переводят полученное число циклов в относительные единицы (относительный ресурс).
Используя линейную модель накопления повреждённости, проводят суммирование относительных ресурсов для каждого места потенциального зарождения трещин, и затем переводят обратно в абсолютные единицы, получая, таким образом, ресурс (число рабочих циклов) до образования критичной по своему размеру магистральной трещины в элементе конструкции строительной машины.
Зная класс использования и режим нагружения подъёмного крана можно расчётным путём определить момент возникновения магистральной трещины, которая будет уже критичной по размеру в выбранной области, и тем самым повысить безопасность при его эксплуатации.