Проектирование козлового грейферного крана грузоподъемностью 10 тонн со снижением металлоемкости пролетной части

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Подъемно-транспортные машины являются основным оборудованием для механизации работ в различных отраслях хозяйства: в промышленности, строительстве, на транспорте, в сельскохозяйственном производстве.

Козловой кран представляет из себя грузоподъемную конструкцию  для выполнения разгрузочных и погрузочных работ. Данный тип кранов используют на открытых площадках промышленных предприятий, грузовых дворов, полигонов по производству железобетонных изделий и контейнерных площадках железнодорожных станций.

Козловые краны получили повсеместное широкое распространение, и их разработка является одной из важнейших в сфере ПТМ. Создание рациональных и оригинальных конструкций в значительной степени зависит от умения сочетать уже известные варианты техники и вводить новые, соответствующие высокому уровню современных требований.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Аналитический обзор

Козловые краны состоят  из пролетного строения, опирающегося на опорные ноги, соединенные или  непосредственно с ходовыми тележками  в самомонтирующихся кранах, или  с балками, в которых устанавливаются ходовые колеса крана. Их широко используют для механизации погрузочно-разгрузочных работ на складах и полигонах заводов строительных изделий, на площадках укрупнительной сборки, монтаже строительных конструкций и технологического оборудования, при строительстве главных корпусов тепловых и атомных электростанций, укладке бетона в плотину гидростанций, монтаже оборудования доменных и цементных обжиговых печей и другого тяжелого промышленного оборудования. Козловые краны разделяют на монтажные и общего назначения. Краны общего назначения имеют грузоподъемность до 5 т, монтажные — до 500 т.

Основные параметры  этих кранов:

1. Высота подъема - 4-25 м.;

2. Пролет - до 40 м.;

3. Скорость подъема  груза - до 32 м/мин.;

4. Скорость передвижения  крана - до 100 м/мин.;

5. Скорость передвижения  тележки до - 40 м/мин.

Скорости всех механизмов козловых кранов являются рабочими.

Несущей конструкцией козлового крана является мост с двумя опорами. По мосту крана перемещается грузовая тележка с грузозахватным устройством. Опоры крана устанавливаются на ходовые тележки, каждая из которых перемещается по двурельсовому пути. Мосты кранов малой (до 5 т) грузоподъемности изготовляют и виде пространственной трехпоясной фермы и балки двутаврового профиля, по которой передвигается    электроталь,    Мосты    кранов средней и большой грузоподъемности выполняются в виде четырехпоясной решетчатой фермы прямоугольного или трапецеидального сечения. Грузовая тележка этих кранов может перемещаться по нижнему или верхнему поясу моста. Распространены комбинированные конструкции кранов, у которых по верхнему поясу перемещается грузовая тележка основного, а по нижнему— вспомогательного механизма меньшей грузоподъемности. Мосты кранов выполняются с консолями и без них. Длина консолей достигает 25...30% от длины пролета. В этой случае тележка вспомогательного подъема перемещается по всей длине пролетного строения

При переработке штучных  и сыпучих материалов, поступающих  на разгрузочную площадку водным путем, автомобильным транспортом или в других случаях, требующих увеличения площади, обслуживаемой краном, пролетное строение козловых кранов выполняется с одной или двумя консолями.

Высота этих кранов выбирается в зависимости от заданной высоты подъема груза, а также с учетом габаритов предметов и сооружений, над которыми надо переместить грузы – эстакады, железнодорожные подъездные пути с транспортом, штабеля материалов и т. д. В зависимости от профиля обслуживаемой площадки ходовые тележки могут быть расположены на одинаковых или разных уровнях. В некоторых случаях одна из ходовых тележек расположена на уровне пролетного строения. Такие краны называются полукозловыми.

Большинство козловых кранов — самомонтирующиеся. Мост крана стреловым краном укладывают на шпальные клетки, одновременно устанавливают на рельсы ходовые тележки, стойки опор соединяют шарнирно с поясом моста и тележками, затем левые и правые стойка стягивают посредством лебедки и устанавливают кран в рабочее положение. Стойки опор внизу соединяют жесткими поперечинами (затяжками опор крана). Пролетное строение такого крана состоит из замкнутой листовой конструкции трапециидальной формы, грузовая тележка передвигается по рельсам, уложенным на боковых плоскостях пролетного строения.

В других конструкциях обе  опорные ноги козловых кранов с пролетом до 30 м. жестко соединяются с пролетным строением; с увеличением  пролета одна нога проектируется пространственно жесткой (левая опора), а другая – плоской гибкой (правая опора). Такая схема исключает влияние на металлоконструкцию крана распора, который может возникнуть при действии  повышенной температуры, вызывающей удлинение пролетного строения или при нарушении параллельности подкранового пути.

Механизмы подъема козловых кранов могут быть установлены на грузовой тележке или вынесены с нее. В первом случае грузовая тележка представляет собой обычную крановую тележку, несущую на себе механизм подъема груза и механизм передвижения тележки, или специальную грузовую тележку. Часто для уменьшения веса и габаритов грузовой тележки механизмы подъема груза и передвижения тележки выносятся с грузовой тележки и устанавливаются над жесткой опорой. В этих случаях грузовая тележка несет на себе блоки полиспаста механизма подъема, а тяговое усилие от механизма передвижения к тележке передается с помощью тягового каната. С уменьшением веса и габарита тележки уменьшается нагрузка на пролетное строение, что позволяет снизить вес крана в-целом.

Управление козловыми  кранами обычно осуществляется из кабины, которая выполняется стационарной или подвижной. Подвижная кабина обеспечивает лучший обзор места погрузки и разгрузки, но создает дополнительную подвижную нагрузку на пролетное строение, что вызывает необходимость увеличения сечения пролетного строения. Стационарная кабина крепится к пролетному строению около жесткой ноги или непосредственно к опорной ноге, что позволяет уменьшить нагрузку на пролетное строение. Однако при больших пролетах значительно ухудшается обзор из кабины.

 

 

 

 

 

 

2. Исследовательский  раздел

Состояние грузоподъемных механизмов и проблемы повышения долговечности и надежности их металлоконструкций

В условиях спада промышленного  производства возникли проблемы поддержания  технологического оборудования в технически исправном состоянии. К техническому оборудованию относят грузоподъемные машины (ГПМ) от технического состояния которых как нормальное функционирование технологических процессов, так и безопасность труда работающих, число аварий и травматизма при работе ГПМ носит устойчивый характер.

Весь парк ГПМ отработавший свой нормативный срок регулярно подвергается диагностированию и технической экспертизе.

Анализ динамики производственного  травматизма и аварийности по Свердловской области с использованием изменения по годам коэффициента травматизма и аварийности производился по методике, разработанной в работе Короткого [14].

Наибольшую опасность  представляют ГПМ с истекшим сроком службы, аварийность на которых носит  устойчивый характер. Аварии, происходящие по техническим причинам, в основном, являются следствием разрушения несущих  элементов металлоконструкций.

Подавляющее большинство  металлических несущих конструкций  являются сварными. В Уральском регионе в настоящее время находится в эксплуатации около 16300 кранов различного типа и назначения. При этом на долю конструкций ГПМ с истекшим плановым сроком службы приходится 60-65%, требующим ремонта металлоконструкций 30-35%(см. табл.1). Причины преждевременных отказов несущих металлоконструкций ГПМ можно расположить в следующем порядке по их значимости: дефекты сварных соединений, коррозия, нарушение при монтажных работах, дефекты материалов, несовершенство конструкторско-технологических решений.                          

 

Таблица 1.

Тип крана	Находящиеся в эксплуатации	Отработавшие нормативный  срок	Требующие ремонта металлоконструкций
Мостовые	6260	2504	12%
Козловые	1460	584	15%

 

Подавляющее большинство  металлоконструкций имеют дефекты  сварных соединений, следы коррозии, изменения геометрических форм.

Учитывая трудности  реконструкции и модернизации объектов повышенной опасности (к которым относят ГПМ), органами федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России принят ряд нормативно-технических актов, направленных на развитие диагностики и технической экспертизы оборудования.

Разработка систем, использующих современные методы контроля (в том числе и неразрушающего) позволит получить достоверные сведения о техническом состоянии объектов и на их основе прогнозировать ресурс и живучесть каждого элемента индивидуально.

Результаты обследования металлических конструкций ГПМ подтверждают преимущественное зарождение разрушений в зоне сварных соединений.

Требования качества сварных конструкций обуславливает  интенсивное развитие методов и  средств неразрушающего контроля (НК). Наряду с разработкой отдельных  методов дефектоскопии широкое развитие получил комплексный контроль качества, включающий функционирующие по заданной логике различные методы. Это позволяет не только обнаружить дефекты, но и определить их тип, размеры, расположение и ориентацию.

Тенденция к облегчению металлоконструкций ужесточает требования, предъявляемые к методам и средствам диагностирования. Сварочные технологии, оборудование, материалы, сварные конструкции составляет область применения почти всех методов и средств НК. Широта и динамичность проблематики НК в сварочном производстве, разнообразие применяемых методов, развивающихся на стыке различных наук, требуют координации и объединения усилий ученых многих областях знаний.

Актуальность НК связана  с тем, что НК является альтернативой  экономии конструкционных материалов, уменьшению габаритов конструкций. НК как средство дефектоскопии позволяет выявлять дефекты и определять их параметры. Проблема НК затрагивает интересы физиков, математиков, радиоэлектронщиков, специалистов по обработке информации, специалистов в области прочности и разрушения и многих других.

Пока не созданы комплексные  системы обследования и диагностическая  аппаратура позволяющая реально  оценивать напряженно-деформированное  состояние длительное время работающих металлоконструкций при различных типах нагружения (в том числе и сварных соединений). Требуются методы оценки остаточного ресурса металлоконструкций, которые учитывали бы длительность, условия эксплуатации и типы нагружения.

Недостаточная обеспеченность грузоподъемной техникой в исполнении для работы в районах с холодным климатом, приводит к необходимости эксплуатировать краны (до -40^оС) в данных климатических зонах. Нормативный срок службы таких кранов сокращается, что приводит к частому ремонту металлоконструкций (в том числе и сварных соединений).

Поэтому необходимо разрабатывать  методики и рекомендации по ремонту  отработавших нормативный срок сварных  металлоконструкций. Понижение температуры  способствует появлению хрупких  разрушений. Следовательно, дальнейшее совершенствование методов расчета и исследований в области долговечности и надежности сварных соединений металлоконструкций, должно идти по пути определения критериев, по которым можно достоверно определять срок службы сварных конструкций, работающих при пониженных температурах.

Хрупкое разрушение элементов  металлических конструкций является одним из наиболее опасных видов  их предельных состояний. При этом основная опасность такого разрушения в зонах  концентрации напряжений связана с  возможностью его зарождения и развития при весьма низком уровне номинальных растягивающих напряжений.

Отсутствие заметных пластических деформаций в зонах  разрушения таких конструкций инженеры и ученые объясняют наличием в  материале структурных или технологических  дефектов.

Влияние сварки с присущими ей технологическими несовершенствами (остаточные напряжения и деформации, непровары и подрезы швов, повышенная концентрация напряжений и др.) на повышение склонности к хрупкому разрушению металлических конструкций интенсивно изучается в настоящее время. Многофакторность хрупкого разрушения сварных металлоконструкций, взаимное влияние таких факторов и недостаточная изученность их воздействия и в связи с этим затруднения в расчетном и экспериментальном моделированиях процессов хрупкого разрушения стальных конструкций до сих пор не позволяют решить проблему хрупкого разрушения.

В литературе последних  лет можно найти описания разрушений различных грузоподъемных устройств[15, 16]. Во многих работах указывается, что хрупкие разрушения связаны с предварительным медленным подрастанием трещины в результате усталости[17, 16, 18].

Анализ случаев разрушений металлоконструкций ГПМ показал, что  при вязком состоянии материала  возможно неустойчивое распространение  трещин. Об этом же есть сведения и в  работе [19]. В Международном институте сварки был сделан вывод, что ни один из рассматриваемых факторов (острый надрез, остаточные напряжения, пониженная вязкость материала, конструктивные концентраторы и т.д.), действуя обособленно, не вызовет хрупкое разрушение сварной конструкции, отвечающей современным методам проектирования и изготовления. Хрупкое разрушение может появиться только в результате неблагоприятного сочетания нескольких факторов. То же самое относится и к остаточным напряжениям, которые влияют на характеристики разрушения лишь в сочетании с другими факторами.