рельсобалочный блок конструкций для параллельных рельсовых путей

Формула изобретения

Рельсобалочный блок конструкций для параллельных рельсовых путей, содержащий эллиптического сечения подкрановую балку, ориентированную большой осью вертикально, арочного профиля трехглавые рельсы сверху и снизу эллиптического сечения, копирующие своей подошвой эллиптический профиль сечения подкрановой балки и соединенные с последней посредством заклепок с замыкающим сердечником в каждой, отличающийся тем, что две параллельные друг другу рельсобалочные конструкции соседних цехов здания объединены в рельсобалочный блок конструкций посредством тормозных листов с продольными гофрами, размещенных сверху и снизу эллиптического сечения и соединенных с подкрановыми балками эллиптического сечения полыми заклепками с сердечником, причем в замкнутом пространстве между парой рельсобалочных конструкций и парой продольно гофрированных тормозных листов размещено не менее четырех упругих колец из прокатных элементов в каждом пролете, соединяющих симметричную пару рельсобалочных конструкций и пару симметричных продольно гофрированных тормозных листов.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к железнодорожным и подкрановым конструкциям с интенсивным движением транспортных средств (0,6...0,8 млн циклов нагружений в год). В этом случае в конструкциях развиваются усталостные трещины [1]. Эксплуатация же конструкций с усталостными трещинами запрещена [2, п.1.59, с.24].

Известна рельсобалочная конструкция с трубчатой эллиптической в сечении подкрановой балкой, ориентированной большой осью вертикально, причем сверху и снизу эллиптического сечения установлены трехглавые рельсы, копирующие своей подошвой верхний и нижний участки подкрановой балки и соединенные с ней полыми заклепки с внедренным в каждую сердечником, а сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано [3].

Примем известное решение за аналог. Аналог имеет неоспоримые преимущества по сравнению с обычной сварной двутавровой подкрановой балкой, переводя работу подкрановой конструкции в так называемую зону "неограниченной долговечности" [4, с.90].

Известно также эффективное техническое решение, объединяющее параллельные подкрановые балки в единое целое [5], позволяющее получить дополнительное снижение материалоемкости.

Тем не менее, объединение двух параллельных рельсобалочных конструкций в симметричную единую пару рельсобалочных конструкций неизвестно.

Технический результат изобретения - повышение долговечности двух параллельных рельсобалочных конструкций вплоть до так называемой зоны "неограниченной долговечности" с одновременным снижением материалоемкости до 20...25%.

Технический результат достигнут тем, что рельсобалочная конструкция содержит эллиптического профиля подкрановую балку, арочного профиля трехглавые рельсы сверху и снизу сечения, копирующие своей подошвой эллиптический профиль ее сечения. Арочные трехглавые рельсы соединены с подкрановой балкой посредством заклепок с замыкающим сердечником в каждой.

Две параллельные друг другу рельсобалочные конструкции объединены в симметричную единую пару рельсобалочных конструкций посредством тормозных листов с продольными гофрами, размещенных сверху и снизу эллиптического сечения и соединенных с эллиптического профиля подкрановыми балками болтами, затянутыми с гарантированным натягом.

На фиг.1 показано сечение рельсобалочного блока, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3 - узел, на фиг.4 - полая заклепка с внедренным сердечником.

Рельсобалочный блок конструкций содержит две идентичные рельсобалочные конструкции 1, симметричные относительно оси Y.

Каждая из рельсобалочных конструкций 1 состоит из подкрановой балки 2 эллиптического профиля с отношением осей [3]:

где D - максимальная ось эллиптической трубы по средней ее линии, проходящей по середине толщины стенки t _ст;

d - ее минимальная ось.

На подкрановой балке 2 седловидно размещены сверху и снизу арочные трехглавые рельсы 3. На центральную главу рельса передаются импульсы от силы Р от основных колес 4 крана, а на одну из боковых глав передаются горизонтальные импульсы Т от направляющих роликов 5 крана (транспортного средства).

Арочные трехглавые рельсы находятся в самых напряженных зонах эллиптического сечения при изгибе подкрановой балки 2 в вертикальной плоскости. Эти рельсы 3 соединены с подкрановой балкой 1 посредством шпилек-затяжек 6. Шпильки-затяжки затянуты с гарантированным натягом и дополнительно напрягаются при нахождении колеса 4 над шпилькой-затяжкой. В зоне контакта трехглавого арочного рельса 3 с подкрановой балкой 2 развиваются силы трения, удерживающие упомянутый рельс от проскальзывания по подкрановой балке.

Нижний трехглавый арочный рельс соединен с подкрановой балкой посредством заклепок 7 с замыкающим сердечником в каждой [6]. Боковые стенки подкрановой балки 2 укреплены ребрами из уголка 8 или тавра копирующими боковую поверхность подкрановой балки 2. Ребра 8 установлены на опорах и в пролета балки.

Два параллельных рельсобалочных блока конструкции 1 соединены в единый рельсобалочный блок посредством тормозных листов 9 с продольными гофрами. Тормозные листы 9 соединены с подкрановой балкой 2 посредством заклепок с замыкающим сердечником в каждой. Полые заклепки с внедренным в каждую сердечником ставятся автоматизированно с использованием пиротехнической установки. На опорах подкрановые балки 2 и в пролета соединены друг с другом упругими кольцами 10 из тавров или уголков укрепляющими тормозные листы 9. Пара рельсобалочных конструкций симметрична и сбалансирована относительно осей Х и Y.

Работа рельсобалочного блока конструкций

Наиболее неблагоприятным загружением для пары рельсобалочных конструкций является симметричное. При загружении этой пары четырьмя кранами учитывается, в соответствии с действующими нормами [7, с.8], коэффициент сочетаний, равный для интенсивного тяжелого режима работы =0,8 и для остальных кранов =0,7. Следовательно, объединение конструкций позволяет экономить от 20 до 30% металла.

Несимметричное (одностороннее) загружение для новой конструкции не опасно, так как момент инерции при кручении рельсобалочного блока велик (примерно в 1880 раз больше чем, например у обычного двутавра). Поэтому приложение 50% нагрузки (от двух кранов) с эксцентриситетом для новой конструкции не ощутимо.

Сопоставление новой конструкции с аналогом показывает следующие существенные отличия:

- образован единый пространственный рельсобалочный блок конструкций, состоящий из двух рельсовых конструкций эллиптических в сечении, соединенных непрерывными тормозными листами с продольными гофрами;

- соединения выполнены посредством заклепок-втулок с замыкающим сердечником в каждой;

- рельсобалочный блок имеет три непрерывных замкнутых отсека, имеющих момент инерции при кручении в 1500...1800 раз больше чем, например, у обычного двутавра, поэтому крутящие воздействия при одностороннем загружении рельсобалочного блока не опасны и расчетным является симметричное загружение его.

Экономический эффект достигнут из-за следующего:

- уменьшена материалоемкость пары рельсобалочных конструкций на 20...30% по сравнению с материалоемкостью единичной рельсобалочной конструкции;

- работа пары рельсобалочных конструкций переведена в зону так называемой "неограниченной долговечности" и появление усталостных трещин в качественном материале подкрановых балок без дефектов и повреждений невозможно в течение всего срока эксплуатации, то есть 40...50 лет.

Расчет релъсобалочной конструкции

1. Исходные данные.

Вначале выполним расчет одной двутавровой подкрановой балки, не связанной с параллельной подкрановой балкой в единое целое.

Требуется рассчитать двутавровую подкрановую балку пролетом 12 м под два крана режима работы 8К грузоподъемностью 500/100/20 т. Материал конструкции - сталь 255 ГОСТ 27772-88 (В Ст3 сп5).

Пролет крана 27 м, наибольшее нормативное давление колеса крана Р_n=9100 гН, масса крана по ГОСТ 20278-81 G=620 т. Крановый рельс типа КР140 ГОСТ 4121-62. Схема кранового поезда из двух сближенных кранов Q=500/100/20 т показана на фиг.5. Масса главной тележки крана 210 т, вспомогательной тележки - 40 т.

Находим место приложения равнодействующей силы R= P (центр тяжести) от колес крана, заходящих на балку, взяв сумму статических моментов относительно удобной точки. Центр тяжести находится на расстоянии 5,357 м от точки "0". Сила, ближайшая к равнодействующей R - критическая, находится на расстоянии а=0,228 м от центра тяжести фиг.6.

Равнодействующую и критическую силы расположим симметрично относительно середины пролета рельсобалочной конструкции, тогда опорные реакции будут равны:

Максимальный изгибающий момент под критической силой в каждой из подкрановых балок рельсобалочного блока:

Максимальная поперечная сила на опоре определяется по линии влияния. Наиболее сближенные колеса расположим около опоры, при этом одно колесо должно находиться строго над опорой фиг.7

При таком условии на рельсобалочном блоке конструкции размещается восемь колес от крана на каждой из подкрановых балок. Максимальная поперечная сила равна опорной реакции балки над опорой:

2. Определение максимального изгибающего момента М

и поперечной силы Q в двутавровой подкрановой балке.

Положение кранов на рельсобалочном блоке конструкции для определения максимального изгибающего момента находится по правилу Винклера.

Для начала определяется число колес от двух сближенных кранов, помещающихся в одном пролете. Выполнением рисунка в масштабе, устанавливаем, что на рельсобалочном блоке длиной 12 м помещается максимум восемь колес (либо четыре от одного крана и четыре колеса от второго крана, либо восемь колес от одного крана). Наиболее сближенные колеса, а следовательно, и наибольшее воздействие сил на балку приходится от одного крана, отсюда следует, что для определения максимального изгибающего момента по правилу Винклера в данном случае необходимо учитывать воздействие на балку одного крана и коэффициент сочетания будет равен единице.

Расчетные силы, передающиеся на рельсобалочную конструкцию от колеса крана, представлены в таблице 1. Нормативная тормозная сила, передающаяся на рельс от одного колеса крана, принята равной 1/10 величины вертикальной силы:

T_п=0,1·P _п=0,1·9100=910 гН

Коэффициент, учитывающий массу рельсобалочного блока и ремонтных грузов, примем 1,05, то есть учтем увеличением нагрузки на 5% (табл.1).

Расчетный изгибающий момент от сил поперечного торможения в одной балке:

Нормативное значение изгибающего момента в вертикальной плоскости в каждой из двух балок:

Таблица 1. Сосредоточенные силы, передающиеся на балку.
Сила от колеса крана	Нормативная, гН	Коэффициенты				Расчетная, гН
		Надежности	Динамичности	Сочетаний	Массы, т
Вертикальная P	9100	1,1	1,1	0,80	1,05	10984
Горизонтальная Т	910	1,1	1,0	0,80	-	951

3. Назначение эллиптического сечения двутавровой подкрановой балки.

Подкрановые балки выполнены из стали С255 ГОСТ 27772-88 (ВСт3 сп5) с расчетными сопротивлениями:

- при изгибе R_y=230 МПа,

- при срезе R _cp=0,58 R_y=0,58·230=133,4 МПа.

Коэффициент условий работы =0,9.

Модуль упругости Е=206000 МПа.

Допустимый относительный прогиб 1/n₀=1/600.

1. Требуемый момент сопротивления рельсобалочной конструкции из условия прочности на изгиб определяется по формуле

2. Толщина стенки одной двутавровой подкрановой балки:

- из условия гибкости стенки

Назначаем толщину стенки одной двутавровой подкрановой балки t_ст=1,8 см.

3. Требуемая площадь сечения одной двутавровой подкрановой балки:

4. Оптимальная высота рельсобалочной конструкции при заданной толщине стенки, равной 1,8 см:

5. Окончательно назначаем высоту стенки:

h_ст=220 см.

Тогда А_ст=220·1,8=396,0 см²

6. Назначаем площадь сечения поясов двутавровой подкрановой балки:

А_вп=А_нп=0,25 A=0,25·799,3=199,8

Принимаем t_п=3,60 см, h=220+2·3,6=227,2 см,

тогда A_п=60·3,6=216 см²

7. Суммарная площадь сечения одного двутавра

A=2·216+396=828 см² >799,3 см²

Главный момент инерции двутавра

Его момент сопротивления:

Момент сопротивления двух двутавров: W^об _x=2·30798,2=61596,4 см³

W ^об _х=61596,4 см³ >W_тр =59149,5 см³

Проверка на изгиб =12243937/61596,3=198,8<0,9·230=207 МПа

Прочность на изгиб достаточна.

Сечение из двух двутавров скомпоновано.

Заменяем каждый из двутавров эллиптической в сечении рельсобалочной конструкцией с арочными рельсами сверху и снизу сечения. Эллиптический в сечении профиль, образованный из двух зеркальных арок имеет максимальный момент сопротивления при отношении большей оси к меньшей равном трем [3] .

Площадь эллиптического сечения равна

где h₀ - высота от оси х до середины толщины t₀;

t₀ - толщина овала.

Его главный момент инерции

и момент сопротивления

Сверху и снизу овала размещаем рельсы [8].

Тогда суммарный момент инерции двух рельсобалочных конструкций равен:

Подставив получаем уравнение третьей степени для нахождения половины высоты овала.

А_рел=187,24; J_{х рел}=31344;

h_рел=33,575; t₀+2t_Г-h _рел=1+2·3-33,575=-26,575;

W_{x тр}=59149,5 см³; t₀=1,1 t_Г=3.

Примем эффективный крановый рельс ЭК 140 [3, табл.1 и 2]

А_рел=187,24 см² - площадь сечения;

J_{х рел}=31344 см⁴ - его момент инерции;

h_рел=33,575 см - его высота.

Толщину овала примем равной t₀=1 см.

Требуемый момент сопротивления двух овалов W_{x тр} =60897 см³

После постановки получаем

Один из корней дает требуемую половину высоты эллиптического сечения

h₀=133,537 см

Главный момент инерции

Суммарный момент инерции рельсобалочной конструкции из двух овалов

Ее момент сопротивления

Площадь сечения одного эллиптического профиля

что составляет

Проверка прочности при изгибе в вертикальной плоскости

Прочность обеспечена.

Произошло снижение материалоемкости на 42,66% при замене двутавра (A_I =828 см²) на эллиптический профиль (A_o=474,8 см).

Литература

1. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий / А.И.Кикин, А.А.Васильев, Б.Н.Кошутин и др. - М.: Стройиздат, 1984. - 301 с.

2. СНиП III - 18-75. Часть III. Правила производства и приемки работ. Глава 18. Металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1976. - 160 с.

3. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России RU 2192381 С2, 10.11.2002, Бюл. №31.

4. Справочник по кранам: 2 т. Т1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчетов кранов, их приводов и металлических конструкций // В.И.Брауде, М.М.Гохберг, И.Е.Звягин и др.; Под общ. ред. М.М. Гохберга. - М.: Машиностроение, 1988. - 536 с.

5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Тамбовцев Е.Н. Способ усиления параллельных подкрановых балок. Патент России RU 2128620, 10.04.99, Бюл. №10.

6. Нежданов К.К., Васильев А.В., Калмыков В.А., Нежданов А.К. Способ и устройство для неподвижного соединения. Патент России №2114328. Бюл. №18 зарег. 27.06.1998.

7. СНиП 2.01.07 - 85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. - 36.

8. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Арочный рельс. Патент России №2208570, В 66 С 6/00, 7/08, Бюл. №20, 20.07.2003.