Оценка ресурса металлоконструкций кранов

Ельчанинов Д.А, Ганшкевич А.Ю., Фёдорова М.Н. МГАВТ

Оценка ресурса МК и оценка напряжённого состояния трещиноопасных участков с использованием программного комплекса APM.

Основная сложность при оценке остаточного ресурса металлоконструкций подъёмных кранов заключается в том, что для некоторых видов, например, портальных - напряжения в трещиноопасных узлах при совершении краном рабочих движений зачастую изменяются нелинейно (в отличии, например, от мостовых кранов). Это связано и с динамическими нагрузками, и с нелинейным изменением неуравновешенного стрелового момента, и с деформативностью самой металлоконструкции. Выполнение такого значительного объёма расчётов потребовало больших трудозатрат. Эти расчёты выполнялись в МГАВТ в течение более чем 10-и лет, и их результаты неоднократно публиковались и докладывались на конференциях.

В настоящее время разрабатывается методика, позволяющая на основе накопленных опытных результатов и расчётов, провести оценку ресурса металлоконструкций кранов, находящихся в эксплуатации. Как уже говорилось, напряжённо-деформированное состояние (НДС) металлоконструкций сильно зависит от принятой последовательности и границ рабочих движений, что, в свою очередь, определяется схемой механизации подъёмных или перегрузочных работ. На данный момент рассмотрена и проанализирована схема механизации судно-склад для портального крана.

Первым этапом для оценки ресурса является построение циклограммы работы крана при принятой схеме механизации. При построении циклограммы учитывается совмещение нескольких рабочих движений. Наличие циклограммы позволяет оценить время разгона/торможения различных механизмов (т. е. время действия динамических нагрузок) и время работы механизмов без динамической составляющей.
Далее необходимо построить график изменения напряжений для опасных участков. К примеру, для колонны.

Рис 1. Циклограмма.
При построении графика мы учли следующие основные положения:
- рассматривается полный цикл работы крана: движение с грузом и обратный ход грузозахватного приспособления;
- при отрыве груза от земли, возникает динамическая нагрузка, которая учитывается коэффициентом динамики, добавляемым к весу груза.
Пример графика приведён на рис. 2

Рис 2. График изменения напряжения за время рабочего цикла.
Полученный график изменения напряжений является нестационарным и в дальнейшем обрабатывается для приведения его к эквивалентному стационарному нагружению, что позволит оценивать ресурс металлоконструкций крана уже по одной из известных методик.

Для разработки решений актуально иметь общую картину НДС металлоконструкции. Для этого используются приближённые методы решения, наиболее эффективным из которых является метод конечных элементов. Конечно-элементные модели крана позволяют оценить уровень напряжений металлоконструкции при различных условиях эксплуатации и условиях внешнего нагружения, а также провести исследования, которые на реальном кране трудноосуществимы из-за необходимости остановки рабочего процесса.

На первом этапе создаются базовые стержневые модели для каждого расчетного случая, при различных комбинациях вылетов и ориентации стрелы. Каждому стержню модели. Созданной предварительно в редакторе AutoCAD и импортированной в модуль прочностного расчёта APM S3D, входящей в состав программного расчётного комплекса АРМ WinMachine, присваиваются сечения в соответствии с проектной документацией, материал, добавляются закрепления в опорах, подвижных элементах устанавливались шарниры, задаются нагрузки и производится первичный расчёт. В результате получаем карты напряжений с цветной индексацией, карты деформаций и силовые факторы в элементах целостной модели крана. В результирующей карте напряжений видны участки с наиболее высокими напряжениями, которые при наличии концентраторов напряжений являются трещиноопасными. Сравнивая эти участки с участками, в которых действительно встречаются трещины при эксплуатации, видно, что концентраторы напряжений играют большую роль и трещины появляются даже в местах с невысокими напряжениями.

На втором этапе созданы модели трещиноопасных участков в пластинчатых и solid-элементах. Таким образом, образуется копия участка из точно прорисованных деталей, разбитых на конечное число элементов и соединённых в узловых точках. Далее, к реальной модели прикладываются усилия, снятые с расчётной стержневой модели, созданы необходимые упругие зацепления, произведена проверка на связанность пластин и уточнённый расчёт. В результате образуются кары напряжений и деформаций, отражающие распределение точек концентрации напряжений в трещиноопасных участках металлоконструкции крана.

Результаты расчёта заносятся в таблицы напряжений, что даёт возможность накопления и оптимизации информации и данных с целью определения наиболее неблагоприятных параметров и условий работы каждого элемента крана, определения остаточного ресурса, разработки вариантов ремонта и модернизации металлоконструкций грузоподъёмых машин для продления срока службы.