ПО СТРОЙТЕХНИКА
оборудование для строителей России с 1971 года

+7(499)265-0917, (499)265-0918, (499)265-0927, (800)301-0545 Сделать звонок

Надёжность и долговечность несущих конструкций кранов

Ушаков А.М., Мачульский И.И. Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ).

У грузоподъёмных кранов большинства типов большая часть массы (80-90%) приходится на металлические конструкции, от надёжной работы которых зависит надёжность и безопасность. Ремонт металлоконструкций трудоёмок, зачастую требует наличия специального оборудования и привлечения высококвалифицированных специалистов. В ряде случаев конструкцию невозможно отремонтировать в принципе.

Методика расчёта по предельным состояниям наиболее универсальна и широко распространена. Значение обобщённой расчётной нагрузки на конструкцию или её элемент сопоставляется с нагрузкой, обусловленной несущей способностью. Обобщённые нагрузки определяют исходя из действующих на конструкцию нагрузочных факторов, учитывается возможность превышения нагрузками их номинальных расчётных значений. Учитываемые при расчёте нагрузки и характеристики элементов конструкции следует рассматривать как случайные величины или изменяющиеся во времени случайные процессы. В практике расчётов различают предельные состояния двух групп: первая характеризуется полной потерей пригодности конструкции к эксплуатации, вторая - затруднением нормальной эксплуатации кранов.

металлоконструкция стрелы подъемного крана

В зависимости от условий эксплуатации и конструктивных особенностей фактический срок службы металлической конструкции составляет 5... 50 и более лет. Сниженные до 5... 19 лет сроки службы обусловлены несоответствием условий эксплуатации и недостаточно высоким качеством изготовления металлоконструкций. Существует практика предварительного, до установки крана на строительном объекте или ином месте эксплуатации, усиления конструкции серийного производства.

Установлено, что если в начальный период эксплуатации вероятность безотказной работы изменяется в пределах 0,92 - 1,0, то через двадцать лет этот показатель снижается до 0,41 - 0,53. Одной из причин, обуславливающих необходимость прекращения эксплуатации кранов, является возникновение остаточных прогибов мостов, что наиболее часто наблюдается у групп кранов режимов А7 и выше, регулярно перемещаемых предельные или близкие к предельным грузы. Остаточные прогибы можно компенсировать установкой опор на разновысокие прокладки. Однако при значительных пролётах (больше 22,5 метров), когда прогибы могут достигать 50 мм и более, зачастую более целесообразно использовать предварительное напряжение. Метод предварительного напряжения позволяет создать обратный прогиб, полностью компенсирующий остаточные деформации основной конструкции.

В общем виде задачу обеспечения надёжности крановых металлических конструкций можно представить следующим образом. Существует многомерное пространство качества, граничные точки которого по отдельным координатным осям определяют расчёт несущей способности, базирующимся на нормативных характеристиках материала. Внешние воздействия на сооружение определяют образуемое аналогичным образом пространство состояния. В процессе эксплуатации крана характеристики материала меняются, изменяются и действующие на конструкцию воздействия. Поэтому во время всего срока службы конструкции оба пространства будут постоянно менять свой объём, пульсировать.

башенная конструкция строительного крана

Нормальная эксплуатация (сохранение надёжности конструкции) будет длиться до тех пор, пока пространство состояния во всех точках находится в пределах пространства состояния качества. Пересечение поверхностей двух пространств является отказом. В зависимости от координатной оси, по которой произошло пересечение, он может привести к аварии, остановке крана, необходимости ремонта и т.д.

Сокращение разницы объёмов пространств будет приводить к экономии материалов при обеспечении заданной надёжности и долговечности. Однако достоверное определение границ пространств затруднено тем, что большое количество определяющих их факторов является случайными величинами, процессами или функциями от ряда случайных параметров. Поэтому прогнозируемая надёжность конструкции будет определяться вероятностью, которую следует назначать в зависимости от класса ответственности крана. В практике расчётов и проектирования для оценки надёжности конструкции используются решения, выполненные для отдельных координатных осей пространств состояния и качества.
Принятая при расчёте металлических конструкций методика предельных состояний базируется на формуле X < X1, где Х - параметр действительного состояния конструкции, Х1 - предельное значение параметра, определяющее прогнозируемое качество конструкции. Вероятность достижения предельного состояния учитывается системой коэффициентов, которые определяют методами теории вероятности или назначают на основе эмпирических данных, но с учётом вероятностных факторов.

Применительно к металлоконструкциям грузоподъёмных кранов и оборудования, возможности применения методов теории вероятности ограничены, так как до настоящего времени для ряда показателей отсутствуют исходные статистические данные. Использование эмпирических коэффициентов, базирующихся в значительной мере на эксплуатационных данных, позволяет создавать конструкции, обладающие определёнными степенями надёжности и экономичности. Однако дальнейшее совершенствование, особенно оптимизация конструктивных узлов, затруднено из-за недостатка статистических данных.

металлоконструкции строительных кранов

Возникновение в материале трещин ещё не влечёт за собой не только немедленного разрушения конструкции, но и безусловной необходимости вывода её из эксплуатации. Условия разрушения конструкции обусловлены характером трещин и особенностями их развития. Для оценки этих условий и прогнозирования повреждений используют методы механики разрушения. Они позволяют определить сопротивление конструкции быстрому (катастрофическому) разрушению путём установления взаимосвязи между разрушающим напряжением в конструкции, содержащей дефект данного размера, с размером этого дефекта через заранее заданную характеристику материала (например, вязкость разрушения или трещиностойкость).

Момент окончательной потери конструкцией несущей способности определяется достижением трещиной критической длины. До этого момента трещины, как правило, являются стабильными и безопасными. Трещины, длина которых больше критической, при достижении заданного напряжения начинают распространяться самопроизвольно и со всё возрастающей скоростью, соизмеримой со скоростью распространения звука в данном материале.

При циклическом нагружении конструкции её долговечность (время до разрушения) определяется длительностью двух последовательных периодов: инициирования (зарождения) трещины, которое начинается с первых циклов нагружения и заканчивается в момент обнаружения трещины; распространения трещины, заканчивающегося моментом полного исчерпания несущей способности конструкции подъёмного крана. Для металлических конструкций строительных кранов, изготовленных из стали с относительно низкой прочностью и высокой вязкостью, период распространения трещин достаточно длителен. Вместе с тем, в сильно нагруженных элементах узлов и деталей появление трещин свидетельствует о возможном возникновении критической ситуации. Таким образом, для случая действия циклической нагрузки долговечность конструкции будет определяться преимущественно длительностью зарождения трещины. Этот период соответствует обычно принимаемому в расчётах значению долговечности.


<< Обеспечение работоспособности гидросистем мобильных строительно-дорожных машин | И.А. Вышнеградский - организатор науки и образования в области подъёмно-транспортного машиностроения >>


На главную Архив: раздел специалиста строителя


Соpуright ПО «Стройтехника» Копирование материалов сайта запрещено. См. Раздел о защите авторских прав, условиях использования ресурса и сотрудничества.