Снижения металлоемкости металлоконструкций кранов можно добиться двумя основными путями.

Первый путь состоит в применении новых высокопрочных материалов с сохранением исходной конфигурации элементов металлоконструкции и снижением толщин. Однако, воплощение в жизнь данного варианта связано с необходимостью применения весьма дорогостоящих материалов и значительным усложнением технологии изготовления металлоконструкции.

Второй путь состоит в оптимизации геометрических параметров элементов металлоконструкций. Данный путь позволяет снизить металлоемкость при использовании сравнительно недорогих материалов и не требует внесения значительных изменений в технологию изготовления и сборки металлоконструкции.

Кроме того, при снижении толщин элементов металлоконструкций, решающим фактором, определяющим металлоемкость, становится необходимость обеспечения местной устойчивости элементов сечения, что может свести на нет все преимущества, даваемые использованием более прочных материалов.

Оптимизация геометрических параметров элементов металлоконструкций тяжелых козловых кранов требует наличия достаточно точных сведений о картине напряженно-деформированного состояния металлоконструкции.

Получение этих сведений связано с необходимостью использования современных численных методов строительной механики для анализа напряженно-деформированного состояния, основным из которых является метод конечных элементов.

Элементы металлоконструкции тяжелых козловых кранов в большинстве своем позволяют рассматривать их при расчете как стержни при анализе напряженно-деформированного состояния в первом приближении. Однако, в металлоконструкции тяжелых козловых кранов входят элементы, геометрия которых не позволяет рассматривать их как стержни, а отказ от учета влияния, которое они оказывают на общую картину напряженно-деформированного состояния, может привести к ощутимой неточности результатов анализа.

Наиболее значимым из таких элементов является главный балансир механизма передвижении крана.

При исследовании общей картины напряженно-деформированного состояния металлоконструкции крана, балансир следует заменять эквивалентным ему по жесткости стержнем [1]. Таким образом, встает проблема определения жесткости стержней, эквивалентных балансирам механизма передвижения крана.

Для определения жесткости балансира требуется провести отдельное исследование напряженно-деформированного состояния балансира при различных комбинациях нагрузок и определить среднюю жесткость, которую можно будет в последствии использовать при анализе напряженно-деформированного состояния всего крана.

Коробчатые балансиры, обладающие высокой прочностью, устойчивостью и относительно небольшой массой, широко применяются в краностроении.

С позиций теории упругости коробчатый балансир представляет собой тонкостенную замкнутую оболочку прямоугольной формы и переменного поперечного сечения, насыщенную многочисленными подкрепляющими элементами, такими как ребра жесткости, местные усиления, накладки, диафрагмы. Сочетание плоских элементов тонкостенной оболочки балансира тяжелого козлового крана образует трехмерную систему, напряженно-деформированное состояние которой носит объемный характер.

В качестве объектов исследований были выбраны главные балансиры механизмов передвижении кранов К2х180/50+10 и К-100Е.

Трехмерные модели балансиров с разбиением на конечные элементы представлена на рис. 1.

Данные балансиры представляет собой балки незамкнутого сечения, подкрепленные поперечными и наклонными ребрами жесткости. Отверстия главного и промежуточных балансиров усилены накладками.

Отверстия и круглые накладки моделировались правильными многоугольниками с числом сторон равным 16. В местах предполагаемой концентрации напряжений (отверстия оси главного балансира и отверстия осей промежуточных балансиров) производилось сгущение сетки конечных элементов.

При составлении расчетной схемы учитывался износ отверстий оси главного балансира и связанное с этим распределение нагрузки.

Были определены деформации элементов балансиров с целью определения эквивалентной жесткости. Для определения деформаций был проведен ряд расчетов при разных нагрузках от оси главного балансира и определено среднее значение соотношения между максимальной деформацией балансира и нагрузкой от оси главного балансира (см. рис. 2). Были получены коэффициенты жесткости величинами 8377кН/мм для главного балансира крана К-100Е и 48373 кН/мм для главного балансира крана К2х180/50+10.

Рисунок 1 Модели балансиров
а, в – внешний вид, б, г – внутренняя структура

Рисунок 2 К определению жесткостей исследуемых балансиров

Таким образом, в ходе исследования удалось проанализировать картину напряженно-деформированного состояния металлоконструкции главных балансиров механизмов передвижения кранов К-100 Е и К2х180/50+10 и определить эквивалентные жесткости этих балансиров, что позволит более адекватно анализировать картину напряженно-деформированного состояния металлоконструкций козловых кранов, имеющих близкую грузоподъемность. В частности, результаты данного исследования применимы для анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кранов К2х190 [2] и К-400 [3], схемы которых позволяют считать их наиболее перспективными для оптимизации.

Библиографический список

1. Расчет крановых конструкций методом конечных элементов/ В.Г. Пискунов, И. М. Бузун, А. С. Городецкий и др. – М.: Машиностроение, 1991. – 240 с.


2. Кобзев А.П., Сапьянов В. Ю. Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции козлового крана грузоподъемностью 380 ст. – Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 6. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2005 – 252 с.


3. Сапьянов В.Ю. Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции козлового крана К-400. – «Проблемы прочности и надежности строительных и машиностроительных конструкций». Межвузовский сборник научных трудов. – Саратов: Изд-во СГТУ, 2005 – 391 с.