1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ

Применение сварки в изготовлении подъемно-транспортных машин (ПТМ) привело к заметному изменению геометрических форм конструкций, созданию новых методов расчета как конструкций в целом, так и отдельных сварных элементов и узлов. Широко внед­ряются конструкции коробчатого, оболочкового и сложных сече­ний, составленные из листовых элементов. Они оказываются часто экономичнее решетчатых и проще в изготовлении. В решетчатых конструкциях используют замкнутые трубчатые, в том числе гну­тые сварные профили, вместо традиционных прокатных швеллеров и углового профиля. Несмотря на многообразие видов подъемно­транспортных машин, работа их металлических конструкций имеет много общего. Это позволяет использовать единые принципы рас­чета, проектирования и оценки прочности элементов и соединений. Опыт эксплуатации крановых сварных металлоконструкций пока­зывает, что определяющим фактором, от которого зависит их надеж­ность, является выносливость.

Исходным моментом для расчета и проектирования конструкции ПТМ является режим работы. Применительно к кранам различают легкий — Л, средний — С, тяжелый — Ти весьма тяжелый — ВТ режимы. В некоторых странах используют деление на три группы — Л, С и Т. Режимы работы грузоподъемных машин устанавливаются в зависимости от следующих факторов [8]:

годового и суточного использования крана, т. е. отношения действительного времени его эксплуатации к общему времени суще­ствования машины;

использования металлоконструкций по грузоподъемности, оце­ниваемого отношением средней массы поднимаемого груза к номи­нальной грузоподъемности;

температуры окружающей среды и условий эксплуатации. Минимальный срок эксплуатации определяют обычно макси­мально возможным количеством циклов работы металлоконструкций в номинальном режиме нагружения. Чем интенсивнее используется

металлоконструкция, тем короче общая продолжительность ее жизни и тем тяжелее считается режим работы.

Легкий режим характерен в основном для монтажных кранов, которые часто используют несколько раз в течение рабочего дня. Для большинства сварных металлоконструкций предельное коли­чество циклов нагружения в номинальном режиме принимают 2—2,2 млн. циклов. Поэтому, если монтажный кран используют для подъема грузов в среднем 10 раз в течение смены, то при 250 рабочих днях в году предельное количество циклов нагружения будет достигнуто через 800 лет. Средний режим работы1 характерен для ПТМ, работающих с регулярными перерывами в цехах машино­строительных заводов, на строительных площадках и т. д. Пре­дельное число нагружений достигается через 30—40 лет.

При тяжелом и весьма тяжелом режимах загрузка почти непре­рывная и предельное число циклов в номинальном режиме работы может быть достигнуто в течение 15—20 лет.

В работах [6, 8, 17] приведена классификация металлоконструк­ций ПТМ в зависимости от режимов их эксплуатации.

Однако режим работы металлоконструкций зависит не только от того, насколько быстро будет достигнуто предельное число циклов нагружения, но и от того, какова средняя загрузка металлокон­струкции по сравнению с номинальной расчетной величиной. В зави­симости от типа машины, ее назначения, условий эксплуатации могут быть различными законы изменения массы грузов в течение всего срока работы машины. Эти данные устанавливают лишь на основе детального статистического анализа и используют при рас­чете конструкции на усталость [6]. Согласно правилам расчета, составленным Европейской Федерацией по погрузочно-разгрузоч- ным машинам установлено относительное к номинальному коли­честву грузов для различных режимов работы ПТМ (табл. 1).

1. Распределение нагрузок ПТМ Режим работы Относительное количество грузов (%) с массой в долях от номинальной грузоподъемности QH0M 0,90 ’ vHOM °’Чюм 0,70 ’ чном °’5<?ном °’4<?ном 0,2 О ’ wUOM Л 10 10 30 50 с 25 — 25 — 40 10 т 70 20 — 10 — —

При расчете металлоконструкций на выносливость принято поль­зоваться расчетной величиной эквивалентных нагрузок, выражае­мой через эквивалентную величину поднимаемого груза:

Сэк == Фэ ' Qhom> (1)

где фэ — коэффициент, зависящий от сочетания нагрузок, или от режима работы конструкции. Для его определения поль­зуются формулой

где Qi — величина нагрузок;

Z; — число повторений этих нагрузок;

Zzi — общее число нагружений крана; т — показатель степени кривой усталости — определяется для конструкций из углеродистых и низколегированных сталей из эмпирического соотношения

тКэ ^ 12, (3)

где Кэ — эффективный коэффициент концентрации напряжений соединения (в том числе и сварного).

Например, при среднем режиме работы С, используя приведенные выше данные распределения нагрузок и принимая коэффициент концентрации напряжений /Сэ = 3, будем иметь:

Фэ = К0,25 • (0,9)4 +'о,25 • (0,7)* + 0,4 (0,4)4 + 0,1 (0,2)4 = 0,71.

Влияние температуры учитывают, как правило, путем снижения допускаемых напряжений.

При проектировании металлоконструкций большое значение имеет учет динамики их работы в колебательном режиме. Колебания конструкции могут возникать при резком приложении нагрузок в процессе подъема и опускания грузов, при торможении и т. д. В зависимости от жесткости конструкций и частоты собственных колебаний, а также от характера приложения нагрузок может ме­няться величина перегрузки в процессе динамического нагруже­ния [6].,

Отношение максимальных перемещений, усилий или вызываемых ими напряжений, возникающих в конструкциях в результате дина­мического действия сил, к перемещениям, усилиям или напряже­ниям, возникающим от статического приложения этих же сил, назы­вают динамическим коэффициентом.

При линейном нарастации нагрузки в течение времени t от 0 до некоторой величины Q динамический коэффициент г|) можно опре­делять по графику на рис. 1, а.

. При кратковременном действии нагрузки в течение времени t (т. е, мгновенном приложении и снятии, например при ударе) для определения динамического коэффициента можно пользоваться графиком на рис. 1, б.

Рис. 1. Графики для определения динамических коэффициентов при линейном нарастании нагрузки [(а) и кратковременной нагрузке (б)

На графиках рис. 1, а, б т = - р - — период свободных коле­баний конструкции, где

<4>

где Р — частота собственных колебаний, 1/с;

т. л — масса, совершающая одно из главных колебаний;

С — действительная или приведенная жесткость конструкции, кгс/см. Под жесткостью понимают величину силы, кото­рая будучи приложена в рассматриваемой точке балки, способна сообщить ей единичное статическое перемещение А. Очевидно, что единичное перемещение точки есть

величина, обратная жесткости, т. е.: A = - i. Поэтому

*6>

где Дст — статическое перемещение точки, в которой приложена сила. Например, для двухопорной невесомой балки,

Р

несущей сосредоточенную массу т = — в середине про­лета, статический прогиб определяется известной формулой

д

ст 48EJ ’

а следовательно, частота собственных колебаний массы

p=Yi-YW-VW - <5а>

Таким образом, увеличение частоты собственных колебаний Р достигается увеличением жесткости за счет изменения сечений эле­ментов или геометрической схемы конструкции (увеличение высоты ферм и балок, добавление новых связей и т. д.).

Как видно из рис. 1, а> динамическое воздействие нарастающей нагрузки (например, при отрыве груза от опоры) будет слабее про­являться в случае жесткой конструкции и значительном времени t.

Напротив, при импульсном действии нагрузки увеличение вре­мени t и повышенная жесткость конструкции будут способствовать увеличению динамического коэффициента (рис. 1, б). Так как жесткость конструкции определяется исходя из статического рас­чета, то при оценке динамического действия сил важнейшим факто­ром является скорость нарастания нагрузок. Подробно расчет конструкций ПТМ на динамическое воздействие рассмотрен в ра­ботах [6, 7, 20] и др.

Данные о задаваемых нагрузках и параметрах их изменения в процессе работы позволяют достаточно надежно спроектировать конструкцию из условий статической прочности и жесткости и про­вести поверочные расчеты на выносливость и динамическое действие сил.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

При выборе материала для металлоконструкции руководствуются следующими основными требованиями:

обеспечение необходимой прочности и жесткости при наименьших затратах на изготовление с учетом максимальной экономии металла;

гарантированное условие хорошей свариваемости при мини­мальном разупрочнении и снижении пластичности в зонах сварных соединений;

обеспечение надежности эксплуатации конструкций при задан­ных статических, усталостных и динамических нагрузках, агрес­сивных средах и переменных температурах.

В металлоконструкциях ПТМ применяют мартеновские прокат­ные углеродистые и низколегированные стали.

Наиболее распространенными в ПТМ среди углеродистых сталей являются СтЗ, СтЗкп, М16С, поставляемые с гарантированным хи­мическим составом и механическими свойствами, согласно ГОСТ 380—71 ,* сограничением содержания углерода, серы и фосфора (в соответствии с п. 13 табл. 2 ГОСТ 6713—53). Эти стали, за исклю­чением кипящей СтЗкп, применяют для несущих элементов метал­локонструкций. Кипящую сталь СтЗкп не рекомендуется применять для рабочих элементов в конструкциях, работающих при темпера­турах ниже —20° С. Ограничение по С, S и Р связано с гарантией удовлетворительной свариваемости и обеспечения пластичности материала при пониженных температурах. Наиболее полно этим условиям отвечает сталь М16С (не более 0,2% С, 0,045% S и 0,05% Р).

Для конструкций большой грузоподъемности могут быть при­менены низколегированные стали 10ХСНД, 10Г2СД, 15ХСНД, 09Г2С и ряд других. Основными преимуществами низколегирован­ных сталей являются повышенная стойкость против коррозии, меньшая чувствительность к хрупким разрушениям, недостат­ками — высокая стоимость, повышенная чувствительность к кон­центрации напряжений и к потере устойчивости у стержней и плас­тин [6]. При выборе конструкционных материалов руководст­вуются, как правило, конструктивными и технологическими сооб­ражениями, учитывают степень ответственности конструкции и условия ее эксплуатации. В литературе, за исключением отдельных работ [16], нет строгих рекомендаций по выбору материала.

Наибольшие толщины элементов для конструкций из низко­углеродистых сталей не должны превышать 50 мм, низколегирован­ных — 40 мм. Наиболее широко в конструкциях ПТМ используют в качестве соединительных элементов угловые профили. Значительно реже — швеллеры и двутавры. Наилучшим типом сечения для эле­ментов, работающих на сжатие, являются трубы. Предпочтительнее применять трубы больших диаметров с меньшей толщиной стенки, имеющие при одинаковой площади сечения большие радиусы инер­ции. Широкие возможности имеются и в части использования гнутых профилей из листовой и полосовой стали, получаемых на ролико­гибочных стендах. Из таких профилей могут быть образованы свар­ные замкнутые сечения самой различной конфигурации.

Основной расчетной характеристикой материала является ох — предел текучести. Для определения усталостных характеристик необходимо знание предела прочности при растяжении сгв. Предел усталости эмпирически установлен при симметричном цикле: при растяжении — сжатии opt = 0,36а„, при изгибе = 0,34ав, при кручении т_! = 0,22ав. Это ориентировочные зависимости, вычис­ленные на основании обработки обширного экспериментального материала испытаний элементов из углеродистых и низкоуглеро­дистых сталей.

Для некоторых специальных конструкций применяют высоко­прочные стали и сплавы алюминия. Целесообразность использования этих материалов зависит от грузоподъемности и назначения конст­рукции. ВНИИПТМАШ считает, что при грузоподъемностях свыше 125 т применение углеродистых сталей экономически нецелесооб­разно, а при изготовлении нестационарных конструкций до 5—10 т большими преимуществами обладают сплавы алюминия.

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ И СХЕМЫ РАСЧЕТА

Конструктивное оформление металлоконструкций ПТМ сводится к многообразным комбинациям из профильных и листовых элемен­тов, т. е. решетчатым и балочным конструкциям. Выбор основных несущих сечений может быть самым различным в зависимости от назначения, действующих нагрузок, режимов и условий работы. Для балочных конструкций их составляют из сваренных между собой листовых элементов, для решетчатых, как правило,, — из прокатных профилей или труб 12, б, 17, 24].

Применение решетчатых конструкций целесообразно для боль­ших и очень малых пролетов мостов, стрел и колонн башенных и молотовидных кранов. Основные системы применяемых решеток приведены на рис. 2. Системы, показанные на рис. 2, а — г, исполь­зуют для вертикальных, а на рис. 2, д — ж — для изготовления горизонтальных ферм. Систему на рис. 2, г применяют для консолей. Наиболее рациональный угол наклона в решетках 45°.

По ряду технологических и экспериментальных соображений в последние годы увеличивается объем производства листовых кра­новых сварных конструкций. По сравнению с решетчатыми они проще в изготовлении, лучше работают в условиях переменных на­грузок. В большинстве элементов решетчатых ферм перемещение грузов вызывает перемену знака напряжения. В балочных конструк­циях вне зависимости от положения груза изменения знака рабочих напряжений в конкретных рассматриваемых точках или сечениях не происходит. Наиболее распространены мосты коробчатого сече­ния, которые обладают достаточно высокой горизонтальной жест­костью и не требуют ферм сбязи.

Схемы конструкций ПТМ решетчатого и балочного типов пока­заны на рис. 3. Конструкции, сваренные из листового проката, обладают значительной простотой и эстетичностью. Однако при небольших пролетах и грузоподъемностях или сверхбольших про­летах (50 м и более) материал сплошного коробчатого сечения ис­пользуется плохо и конструкция излишне утяжеляется. В мировой практике краностроения известны случаи изготовления металло­конструкций большой грузоподъемности с рабочим радиусом до 200 м (без перемещения основания). Вполне естественно, что для такого рода конструкций, как правило стреловых, большие сечения нецелесообразны из-за значительного увеличения собственной массы. Стрелу экскаватора «Big Muskie» грузоподъемностью 320 т, длиной ~ 100 мм наиболее экономично оказалось изготовить из труб высокопрочной стали. Многие погрузочные краны, применяемые

Б-Б ■О------------------------------------------ П

U 5) LJ

Рис. 3. Типы металлических конструкций мостовых перегружателей: а — пролетное строение решетчатое; б — пролетное строение однобалочное

в портах, и плавучие краны, используемые для подъема затонувших судов грузоподъемностью 500—1000 т, наоборот, более рационально изготовлять из стальных балочных элементов, учитывая их обычно незначительную величину вылета консольных частей и большую грузоподъемность.

Широко применяют и-комбинированные схемы несущих сечений, когда в направлении основной нагрузки рабочими элементами яв­ляются сварные балки, а поперечную жесткость обеспечивают про­фильные соединительные элементы. Поэтому на первом этапе проек­тирования необходимо четко установить общую конструктивную схему металлоконструкции машины, а затем уже переходить к оп­ределению основных параметров нагрузки отдельных элементов конструкции и выбору их сечений.

Размеры отдельных сечений и общая конфигурация элементов ферм зависят от характера действующих нагрузок и их величины в наиболее неблагоприятных условиях нагружения. При этом учи­тывают все три вида нагрузок — статические, переменные и дина­мические. Возможны два пути принципиального построения общего расчета конструкции. Первый — это определение общих одинаковых

Рис. 4. Схема компоновки портового крана и эпюра мо­ментов (ФРГ)

для всей конструкции коэффициентов условий работы, учитывающих влияние динамических и переменных нагрузок. В этом случае расчетные эпюры изменяются пропорционально определенным из условий статического нагружения и расчет производят так же, как принято при статических нагрузках.

Этот путь расчета характерен для балочных конструкций. Например, если требуется определить сочетание расчетных усилий при проектировании погрузочного крана грузоподъемностью 600 т, схема которого показана на рис. 4, а, то сначала строят эпюры мо­ментов, исходя из статической нагрузки (штриховая линия на рис. 4, б), а затем увеличивают их пропорционально в каждом сечении путем умножения на динамический коэффициент г|) и умно­жения на коэффициент условий работы (сплошная линия на рис. 4, б).

Правильность определения рабочих сечений элементов и сварных швов определяется главным образом точностью определения коэф­фициентов, учитывающих условия работы конструкции.

Второй путь построения расчетов применяют обычно для решет­чатых конструкций. Здесь работу отдельных элементов рассматри­вают дифференцированно и вводят не коэффициенты корректировки эпюр нагружения конструкции, а коэффициенты изменения допу­скаемых напряжений, зависящие от вида нагружения, его циклич­ности, величины максимальных и минимальных напряжений, характерных для каждого из составляющих элементов конструкции.

Учитывая, что расчеты на статическую нагрузку и выносливость достаточно подробно освещены в литературе [13, 14], остановимся подробнее на динамических расчетах.

Опытами установлено, что по сравнению с перемещениями узлов самой фермы амплитуда колебаний отдельных стержней настолько мала, что ее можно не учитывать. Для определения частот колебаний фермы целесообразно заменять решетчатую систему эквивалентной ей балкой сплошного постоянного сечения. Под эквивалентными системами понимают системы одинаковой жесткости, характери­зуемые равенством в каком-либо сечении прогиба от равномерно распределенной нагрузки. Поэтому момент инерции эквивалентной балки может быть получен из равенства прогибов сплошной балки, и фермы, несущих одинаковую распределенную нагрузку q. Прогиб балки определяют из выражения

Дб ~ 384 ЕГй ’

а фермы — по формуле Мора

Лф-іад-А, (7)

где Nq и Nx — усилия в стержне фермы от заданной нагрузки и от единичной силы, приложенной к ферме и дей­ствующей в направлении искомого перемещения; S и F — длина и площадь поперечного сечения соответст­вующего стержня.

Установим зависимость между моментом инерции эквивалентной балки /б и геометрическими характеристиками сечений фермы, для чего рассмотрим решетчатую систему, близкую по типу к фермам крановых конструкций. Половина этой системы изображена на рис. 5. Решетка и пояса пусть состоят из парных угловых профилей, отношение величин площадей поперечных сечений которых опреде-

р

ляется коэффициентом с=г. р, где F„ и Fn — площади сечений рас-

* п v

коса и пояса. Сначала для каждого из стержней 1—18 определяют известными методами строительной механики усилия Nq и Nlt т. е. от сплошной нагрузки и от единичной, приложенной в середине пролета. Затем для каждого из стержней находят произведение

S №

NqN-yy. Например, для стержня 5: ^ = 4,25, jVx = 0,5; S = а;

F = Fn и NqN1j - — 2,3jrqa

п

для стержня 4: JV? JVX = 80,0-^- qa.

s х п

Сумма 'StNqNi у для поясов, т. е. стержней с 1 по 9 равна 342,58

•§- о<2.Та же величина для раскосов, т. е. стержней 10—18, составляет

Г п

а.

14,33 - f-qa, где cFn — Fp. Чтобы найти прогиб фермы от сплошной

нагрузки интенсивностью q, нужно удвоить полученные величины (так как рассматривалась половина фермы) и разделить на Е. Тогда

Дф = = 2-f (S42,58f + 14,334-) = (685,2с + 28,7). (8)

nFE~ Е KrT*'4JK'Fn ^ l’Ty'JKJcFn) cFnE '

Прогиб сплошной балки от той же нагрузки

* 5 ql* 5 q (9а)4 85a*q

Аб ” 384 ЁД “ 384 ~ ~Щ *

Приравняв Дф и Дб, определяем момент инерции эквивалентной балки

(9)

85a2cFn

685,2с + 28,7*

Для приближенных расчетов и достаточно жестких крановых ферм момент инерции эквивалентной балки может быть принят равным моменту инерции сечения фермы без учета раскосов. В этом случае при с = 1 ошибка составляет не более 5%, при с = 0,5—10% и при с — 0,25 25%.

Практический интерес представляют не собственные (свободные) колебания, как быстро затухающие, а вынужденные, амплитуда

которых при определенных условиях может быстро возрастать. В то же время амплитуда вынужденных колебаний зависит не только от величины и характера приложения возмущающей силы, но и от соотношения ее периода и периода собственных колебаний системы. Поэтому расчет на динамические нагрузки нужно начинать с анализа собственных колебаний и сравнивать с колебаниями от внешней нагрузки. Для двухопорной невесомой балки при сосредоточении

Р

массы т=— в середине пролета частоту собственных колебаний

определяют по формуле (5а).

Если груз сосредоточен на расстоянии х от одной из опор, то статический прогиб определяют по формуле

д — Рх1АІ~х}2 (і о)

ст’~ ЗIEI ' ' '

Пример 1. Свободно опертая балка пролетом / несет сосредоточенную массу т на расстоянии х = 0,4/ от левой опоры. Пренебрегая весом балки, определить частоту собственных колебаний. Из формул (5) и (10) имеем

52,08£/

т/3

Частоту Р используют при определении периода т, который служит в свою очередь для определения динамического коэффициента по графикам на рис. 1. Динамический коэффициент вводят в дальнейшие расчеты сварных соединений и основных несущих элементов как коэффициент снижения допускаемых напря­жений.

Пример 2. Определить динамический коэффициент для конструкции, пока­занной на рис. 5, при следующих параметрах конструкции: а=2 м, с - 1,

Fп — 20 см^. Нарастание нагрузки Р = 10 т (в середине пролета) линейное

с t = 1 с и кратковременное с t = 1 с.

Момент инерции эквивалентной балки по формуле (9)

, 85.40 000*20 .

/б= 685,2-f-28,7 ~ см4‘

Частота собственных колебаний (1/с) по формуле (5а)

48 - 2. 106- 95 240 - 9,8и

104: 183 • 10е

Период собственных колебаний (с)

2я _ 6,28 ^ g

Т~ Р ~ 1,24 —

Отношение — ^ 0,2. По графику на рис. 1 и по формуле (4) определяют

динамические коэффициенты: при линейном нарастании г|з ^1,97 и при кратко­временном действии г|? «=: 1,2.

Полученные в примере 2 величины г|) свидетельствуют о том, что для плавного режима нарастания нагрузки конструкция не приспособлена, так как в период нагружения основные нагрузки на рабочие элементы увеличиваются почти вдвое. Такая конструк­ция может удовлетворительно работать либо в стационарных усло - виях^нагружения, либо при очень медленном нарастании нагрузки. Практически приемлемыми для сварных конструкций являются величины г|), не превышающие при заданных режимах изменения нагрузки значения 1,35—1,4. Для облегчения расчетного определе­ния динамического коэффициента в различных конструкциях можно пользоваться формулами и данными табл. 3—22 справочника по кранам [17].

КОНСТРУКЦИЯ СВАРНЫХ УЗЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ

Решетчатые конструкции собирают из профильных прокатных, гнутых или сварных элементов. Основные принципы конструиро­вания [14]: геометрические оси соединительных стержней должны пересекаться в одной точке — центре узла; должна быть обеспечена возможность наложения швов, прикрепляющих раскосы и стойки к поясам в удобном для производства сварочных работ положении.

Соединения стержней в узлах могут быть: без косынок и накладок внахлестку; комбинированные соединения с угловыми и стыковыми швами; узлы с надставками, вставками и накладками.

Основным условием высокой усталостной прочности конструкций является снижение концентрации напряжений в местах соединения элементов, изменения сечений и т. д. [17].

Пояса ферм решетчатых конструкций, сваренные из листов, характеризуются существенно меньшими величинами эффективных коэффициентов концентрации напряжений Къ по сравнению с сос­тавными сечениями поясов из профильных элементов х соедини­тельными планками. Усталостная долговечность сварного растяну­того пояса, составленного из листов, зависит от конструкции свар­ных узлов и присоединения к нему вертикальных и горизонтальных связей. Если раскосы и стойки приваривают непосредственно к поя­сам лобовым или фланговым швами (рис. 6, б), то К9 = 2,0 3,2.

Это вынуждает делать сечение пояса более развитым по сравнению с полученным из основного расчета на перерезывающую силу и момент. Чтобы уменьшить сечение, в местах присоединения раскосов делают вставки большей толщины и высоты по сравнению с поясным листом (рис. 6, в). Широкие возможности снижения величины Къ имеются при соединении через косынки (рис. 6, г — и). При конст­рукции по рис. 6, г Къ = 1,4 ч - 2,2; рис. 6, д, е, — К9 = 1,6 2,2;

рис. 6, ж, з — Кв — 2,0 ч - 3,6; рис. 6, и —: Къ = 1,4 - г - 2,2.

Известно, что применение угловых профилей при обычных кон­структивных схемах не дает возможности использовать высокие механические свойства сталей повышенной и высокой прочности из-за резкого снижения допускаемых напряжений по условиям обеспечения общей и местной устойчивости стержней. Благодаря более выгодным геометрическим характеристикам трубчатых стерж-

ней потери напряжений в них значительно меньше. Эффективность трубчатых профилей тем выше, чем тоньше стенка и чем больше поперечные размеры профилей.

«=	! $
аЧ	д

Рис. 6. Узлы при­соединения раско­сов к поясам без промежуточного элемента (а, б, в) и с помощью косы­нок (г и)

Успешное применение конструкций из труб зависит от конструк­тивного решения узлов. Обычные решения стыков на накладках, соединения решетки с поясами с помощью узловых фасонок не всегда соответствуют конструктивной форме элементов, вызывают дополни­тельный расход стали на соединительные элементы, повышают трудоемкость изготовления и значительно ухудшают коррозионную стойкость конструкции.

Возможными решениями (рис. 7) представляются соединения трубчатых элементов сваркой встык на подкладных кольцах, а соеди­нение решетки с поясами — непосредственной приваркой стыковым

Рис.,7. Узлы ферм из труб: а—г — без фасонок: д—к — с фасонками; л—н — усиленные

или угловым швом [21]. Естественно, что такие конструкции требуют решения ряда серьезных вопросов: во-первых, технологического порядка и качественной сварки, во-вторых, устойчивости поясов в местах примыкания решетки и приложения сосредоточенных

нагрузок. Решения этих вопросов необходимо сопровождать экспе­риментальной проверкой и натурными испытаниями образцов конструкций.

В узлах могут быть использованы фасонки, вставляемые в про­рези, либо во всех стержнях, либо в примыкающих к поясу. Чтобы исключить фигурную обрезку концов труб, при которой возможно при сварке образование эксцентриситета вследствие неточной об­резки, сборки и сварочных деформаций, применяют фасонки с опор­ными ребрами (рис. 7, ж), к которым стержни приваривают впритык.

Если пояс меняет направление, то стойка может быть присоеди­нена посредством вставки (рис. 7, к). Для усиления узла между

Рис. 8. Конструкции проушин на конце стержня трубчатого сечения

концами стержней устанавливают диафрагмы, а на пояса надевают или вставляют внутрь короткие трубы (рис. 7, л).

Отдельные части металлических конструкций, поворачивающиеся в процессе работы, соединяют между собой на осях (рис. 8). Для восприятия переменных нагрузок лучшими решениями являются показанные на рис. 8, б, когда окончание прорези в трубе не совпа­дает в одном сечении с лобовым швом в конце проушины, и на рис. 8, д — в случае стыкового шва с подкладным кольцом.

Балочные конструкции. Прокатные и гнутые профили исполь­зуют в основном для компоновки более сложных сварных сечений. Наиболее часто применяют сварные балки двутаврового и короб­чатого профилей (рис. 9); Двутавровые балки хорошо сопротив­ляются изгибу в плоскости своей наибольшей жесткости, коробча­тые — изгибу в разных плоскостях и кручению. Рациональность се­чения балки (по массе) как конструкции, работающей на изгиб, определяется отношением WiyF* , представляющим собой безраз­мерный удельный момент сопротивления, характеризующий рацио­
нальность распределения материала в поперечном сечении [6]. Чем больше при данной площади сечения F момент сопротивления W, тем балка более экономична. Наиболее выгодными с этой точки зрения являются сечения двутаврового типа с возможно более мощ­ными поясами, насколько это позволяют условия общей устойчи­вости балок и местной устойчивости ее стенок и поясов.

Для сжато-изогнутых элементов, например стрел, применяют балки трубчатого сечения. Они более технологичны в изготовлении, практически не требуют продольных ребер жесткости для обеспе­чения местной устойчивости. При работе трубчатого сечения на

<0

£(12*15)8-

^(50+Ь0)& ' 300мм

Рис. 9. Типы сечений состав­ных балок: а — сечения; б — соотношения размеров элементов сжатых поя­сов

изгиб в двух плоскостях волокна поперечного сечения, максимально напряженные при изгибе в вертикальной плоскости, совершенно не испытывают напряжений при изгибе в горизонтальной плоскости. У прямоугольного сечения при изгибе в двух плоскостях наиболь­шие напряжения от изгиба 6 каждой плоскости складываются алгеб­раически, у балки трубчатого сечения — геометрически. Поэтому по весу балка трубчатого сечения оказывается легче, чем прямо­угольного.

Наименьшую высоту балок ограничивают из условий жесткости и времени затухания колебаний, наибольшую — из условий полу­чения балок наименьшей массы. Высоту балки определяют из соотношения [6]

h--s£

(11)

/2W

Sc (p-

где W — треб/емый момент сопротивления; 8С — толщина верти­кального листа не менее 6—8 мм; (5 — конструктивный коэффициент;

в среднем Р = 1,2 при отсутствии продольных ребер и р = 1,3 при наличии одной пары продольных ребер.

Если в поперечном сечении балки имеют место одновременно большие значения изгибающего момента и перерезывающей силы (консольные и неразрезные балки, двухопорные балки с сосредо­точенными грузами), надлежит проверить приведенные напряжения в поясных швах:

(12)

стпр = /<т2+3т2<[0']р.

Сечения составных балок подбирают в следующем порядке. Зная расчетный изгибающий момент, определяют требуемый момент сопротивления

и, если балка испытывает изгиб также в перпендикулярной плоско­сти, соответственно его увеличивают, задавшись высотой балки h, затем находят необходимый момент инерции сечения

Приняв толщину стенки б (или двух стенок 26), определяют ее момент инерции

•

Момент инерции поясов (если пренебречь собственным моментом инерции ИХ /п)

ст — 12 •

Р__ 2 (/-/„) г ~ /і=

отсюда площадь каждого пояса

После выбора поясных листов производят окончательную увязку размеров отдельных элементов балок и прочностной расчет сечений и сварных соединений.

Если рельс расположен над стенкой балки, то рельс с поясом рассматривают как балку, лежащую на сплошном упругом основа­нии. Местные напряжения сжатия кромки вертикальной стенки под сосредоточенным грузом Р, приложенным к поясу балки в местах, не укрепленных ребрами, можно определить по формуле

(13)

условная длина распределения давления от сосре­
доточенного груза в предположении равномерности местного напря­жения;

с = 3,25 — для сварных и прокатных балок;

/п — сумма моментов инерции рельса и пояса относительно их собственных осей, а в случае приварки рельса швами, обеспечива­ющими совместную работу рельса и пояса, — относительно общей оси рельса и пояса;

§ — толщина стенки.

Рис. 10. Балка Ф-образного сечения

Для снижения местных напряжений от давления ходовых колес с помощью сварки устанавливают дополнительные ребра из листовых или угловых элементов, Передающие усилие на большую площадь стенки. С этой же целью начали использовать для мостовых кранов пролетом 10—25 м балку Ф-об - разного сечения (рис. 10). Сред­ний вертикальный лист дает хорошую. основу для рельса, кроме того, балка очень проста в изготовлении — во всяком случае не сложнее обычных дву­тавровых и коробчатых сварных балок. Сочетание Ф-образного профиля с тавровым отвечает основным требованиям нагруже­ния крановых мостов, обеспечи­вая необходимую прочность и жесткость как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Наряду с напряжениями от вертикальных перерезывающих сил, действующих по оси стенки, не менее важными для сварных швов являются напряжения, возникающие от сил инерции и от смещения ходовых колес с расчетной оси приложения нагрузки. Эти напряже­ния возникают от усилий^ передающих свое действие через рельс и верхний пояс и вызывающих дополнительные напряжения от момента в зоне сварных швов, как это показано на рис. 11, а. Макси­мальная величина Оу этих напряжений может быть выражена полу- эмпирической зависимостью через вертикальную перерезывающую силу Q (24]:

' ' (14)

1,15/п + /р>

где S — толщина вертикального листа;

/п и /р — соответственно моменты инерции пояса и рельса.

В соответствии с наиболее удобной схемой компенсации напря­жений от изгиба особо опасных для конструкций, работающих в тяжелом режиме, целесообразно поперечные сечения равномерно усиливать ребрами жесткости и диафрагмами, передающими нагрузки равномерно на все рабочее сечение балки и воспринимающими возникающие моменты (рис. 11, б, в).

Большие возможности в части создания экономичных и прочных балок дают новые конструктивные формы поперечных сечений. В частности, сравнение рациональности сечений, показанных на

Рис. 11. Схема нагрузок, действующих на балку (а) и типовые сечения крановых балок для тяжелых (б) и особо тяжелых (в) условий работы

рис. 12, дает основание утверждать, что изменение конфигурации стенок балок и применение криволинейных и фигурных листовых профилей без изменения жесткости и прочности позволяют снизить расход материала на 20—25%. Однако реальное использование таких профилей требует решения ряда вопросов, среди которых основное внимание должно быть уделено технологии изготовления

Рис. 12. Новые виды сечений сварных балок

таких балок, обеспечению прочности сварных соединений более тонкостенных конструкций, чем применяемые, разработке конструк­тивных решений сварных узлов.