рельсобалочная конструкция

Формула изобретения

Рельсобалочная конструкция, содержащая подкрановую балку с трубчатым верхним поясом круговой формы и установленный на ней рельс, отличающаяся тем, что рельс выполнен трехглавым, имеющим центральную главу и две боковые главы, упомянутые главы объединены подошвой, имеющей форму круговой арки, копирующую форму внешней поверхности верхнего пояса, который соединен с рельсом посредством шпилек, при этом статические моменты верхней и нижней частей сечения конструкции относительно главной горизонтальной оси, делящей высоту сечения пополам, равны друг другу для сбалансирования сечения всей конструкции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подкрановым конструкциям преимущественно с тяжелым интенсивным режимом работы (8К...7К) мостовых кранов, например на комбинатах черной и цветной металлургии.

Известны подкрановая балка с трубчатым верхним поясом [1, патент России №1745804] (прототип), амортизирующим при действии вертикальных Р и горизонтальных Т сил, передающихся на подкрановую балку. Однако рельсовые крепления не обеспечивают закрепления рельса без его продольного проскальзывания и сечение подкрановой балки не сбалансировано. Известен также подкрановый рельс, выполненный на основе круговой арки [2, заявка №98117701].

Технический результат изобретения - снижение материалоемкости рельсобалочной конструкции.

Технический результат достигнут тем, что рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом круговой формы и установленный на ней рельс.

Отличие в том, что рельс выполнен трехглавым, имеющим центральную главу и две боковые главы. Упомянутые главы объединены подошвой, имеющей форму круговой арки, копирующую форму внешней поверхности верхнего пояса, который соединен с рельсом посредством шпилек.

При этом статические моменты верхней и нижней частей сечения конструкции относительно главной горизонтальной оси, делящей высоту сечения пополам, равны друг другу для сбалансирования сечения всей конструкции.

Все сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано, что обеспечено равенством статических моментов:

где S_хв=S_хн - статические моменты соответственно верхней и нижней частей сечения относительно главной горизонтальной оси X, делящей высоту сечения точно пополам.

Сравнение разработанной рельсобалочной конструкции с прототипом показывает ее существенные отличия: рельс работает в составе сечения и все сечение сбалансировано.

На фиг. 1 показано сечение рельсобалочной конструкции; на фиг 2 - вид сбоку; на фиг.3 - опорное ребро; фиг.4 - иллюстрирует пример расчета.

Рельсобалочная конструкция содержит трехглавый рельс 1, основой которого служит круговая арка. Рельс имеет центральную главу а и две боковые b. Главы объединены в арочный в сечении рельс посредством подошвы с, имеющей форму круговой арки.

Рельс 1 установлен на верхнем трубчатом поясе d подкрановой балки 2. Верхний пояс d соединен непрерывным швом со стенкой i, a последняя соединена с нижнем поясом К.

Рельс 1 закреплен на балке 2 без возможности сдвига. Соединением осуществлено шпильками 3, являющимися затяжками арочного рельса 1. В момент нахождения колеса крана над шпилькой усилие натяжения в ней возрастает. То есть она самонапрягается.

Балансировка рельсобалочной конструкции реализована следующим образом. Равенство статических моментов (1) может быть выполнено только при определенной высоте Н сечения рельсобалочной конструкции и площади сечения А _св нижнего пояса балки.

Из условия (1) находим необходимую площадь сечения свесов (фиг.4):

где A_в=A_рел+A_о - площадь сечения верхней части балки, состоящая из площадей сечений рельса A_рел и трубы А_о;

h_в - высота сечения верхней части балки, равная:

h_в =h_рел+0,5D

h_рел - высота рельса (рельс сбалансирован);

D - внешний диаметр трубы верхнего пояса;

С_в - расстояние от верхнего края сечения до центра тяжести верхней части балки, равное:

С_св - расстояние от нижнего края сечения до центра тяжести свесов нижнего пояса.

Получив по (2) площадь сечения свесов А_св, легко определить главный момент инерции сбалансированной рельсобалочной конструкции:

Подставив в (4) А_св (2), получим кубическое уравнение:

Из уравнения (5) легко найти высоту сечения рельсобалочной конструкции. Для этого необходимо найти требуемый момент сопротивления из условия прочности на изгиб.

где М - изгибающий момент в рельсобалочной конструкции,

- коэффициент условий работы,

R_y - расчетное сопротивление стали на изгиб.

Назначить крановый арочный рельс в зависимости от сосредоточенного воздействия Р колеса крана, то есть А_рел; h_рел; J_рел .

Назначить трубу верхнего пояса, то есть A_о ; D; J_о.

Определить характеристики верхней части балки, считая, что рельс и труба работают совместно как единое целое, то есть найти их общий центр тяжести и расстояние С _в по формуле (3).

Найти их общий момент инерции:

Из условия прочности на срез задаться толщиной стенки балки t_cm, задаться толщиной свесов t_cm =2С_св, определить:

h_в=h_рел +0,5D.

Собственным моментом инерции свесов J_cв пренебрегаем. Решив уравнение (5), находим высоту сечения Н сбалансированной рельсобалочной конструкции, находим высоту стенки (фиг.4):

По формуле (2) находим площадь свесов:

Таким образом, все размеры рельсобалочной конструкции определены.

Далее, как обычно, проверяем подобранное сечение.

Проверяем балансировку сечения:

Убедившись, что сечение сбалансировано, по (4) находим главный момент инерции J_x, а затем и моменты сопротивления:

W_хв=W_хн=2J_х/H.

Проверяем прочность сечения при изгибе в вертикальной плоскости:

Расчет тормозной балки выполняем как обычно. Проверку прочности сечения на косой изгиб выполняют по формуле:

где М_T - тормозной момент от изгиба рельсобалочной конструкции в горизонтальной плоскости;

J_y - главный момент инерции тормозной балки;

x_min - расстояние от центра тяжести тормозной балки до внешней грани боковой главы рельса.

Максимальные по модулю напряжения при изгибе сечения в вертикальной и горизонтальной плоскостях возникают в несовпадающих точках, поэтому прочность сечения на косой изгиб легко обеспечивается.

Покажем эффективность разработанной конструкции на числовом примере. Сравнение произведем с подкрановой балкой, рассчитанной в учебнике профессора К.К.Муханова [3, с. 254].

Для сравнения результатов исходные данные оставляем без изменения и принимаем такими же.

Расчетные значения:

Момент в середине пролета М=3839 кНм =3839000 гНсм

Поперечная сила на опоре Q=435 кН =4350 гН

Сталь ВСт3сп5 ГОСТ 27772-88

Расчетное сопротивление по действующим нормам R_y=230 МПа, но для сравнения результатов оставим как у К.К.Муханова, то есть R_y=210 МПа; =0,9.

Вычисляем требуемый момент сопротивления

Примем верхний пояс подкрановой балки из трубы диаметром D=29,9 см с толщиной стенки t=0,8 см [4, с. 71]: A_о =73,12 см², i=10,3 см, J_o=73,12·10,3 ²=7757,3 см⁴, J_КР=J_p =2J_о=15514,6 см⁴.

Рельс арочный сбалансированный КР 100

А_рел=113,32 см², h_рел =19,25 см, J_рел=5574,7 см⁴.

Тогда A_в=113,32+73,12=186,44 см²

Момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции:

Примем толщины: стенки t_cm=1 см, свесов t _св=2 см.

Определяем коэффициенты кубического уравнения (5):

H³+913,44H²-158000,51H+447939,6=0 Н=146,21 см.

По (2) находим А_св:

По (4) вычисляем главный момент инерции:

где J_св=126,06·2²/12=42,02 см⁴,

h_cm=146,21-34,2=112,01 см

Тогда W_x=2J_x/H=20314,5>20312,2 см ³.

Момент сопротивления рельсобалочной конструкции чуть больше требуемого!

Выполняем проверку прочности рельсобалочной конструкции на изгиб в вертикальной плоскости:

Прочность достаточна.

Для определения материалоемкости определяем площадь сечения в см² (см. табл.1).

Таким образом, произошло снижение материалоемкости на 18,5%! Произведем проверку выносливости в зоне соединения верхнего пояса со стенкой. Проверка производится от нормативной сосредоточенной силы -Р=505 кН=5050 гН с учетом коэффициента повторяемости нагрузки _n=0,6 [5, с. 2, п.1.7и] и локальности воздействия _f1=1,3 (гибкий подвес груза) [5, с. 7, п.4.8], [6, с. 50]. (см. табл.2, 3).

Предел выносливости в зоне верхнего поясного шва определен экспериментально на базе 4^х миллионов циклов нагружений при пульсирующих циклах касательных напряжений [7, с. 28, с. 29] равен R=64,4 МПа.

Следовательно, в нашем случае выносливость обеспечена

_2max=24,5<R=64,4 МПа

и усталостных трещин в наиболее опасной зоне, то есть в шве со стороны эксцентриситета возникнуть не может. Балка работает в зоне так называемой “неограниченной долговечности”. В прототипе же выносливость не обеспечена и усталостные разрушения в нем возникнут.

_2max=67,1<R=64,4 МПа

Экономический эффект достигнут повышением долговечности разработанной конструкции во много раз и обеспечением ее работы в зоне “неограниченной долговечности”.

Одновременно материалоемкость конструкции снижена на 18,5%. Экономический эффект достигнут также посредством исключения вертикальных ребер жесткости, обычно привариваемых вручную, вследствие чего ликвидирован большой объем ручной работы. Например, в прототипе имеется 9 ребер, двухсторонних ребер, причем каждое ребро приварено с двух сторон вручную. l=1,6·2·2·9=57,6 м.

В нашем случае ручная сварка отсутствует и применятся только автоматическая.

Источники информации

1. Патент России №1745804.

2. Заявка на получение патента России №98117701.

3. Муханов К.К. Металлические конструкции. Учебник для ВУЗов, - М.: Стройиздат, 1978 г., с. 572.

4. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций, Днепропетровск, "Промiн", 1975 г.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия, М.: Госстрой СССР, 1987 г.

6. Нежданов К.К. Долговечные подкрановые конструкции: Учебное пособие - Пенза: Пензенский гос. архитектурно-строительный институт, 1995 г. – 80 с.

7. Нежданов К.К. Автореферат докторской диссертации. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета. М.: Московский строительный университет, 1993 г.