Патент на изобретение №2240275

(54) РЕЛЬСОБАЛОЧНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к подкрановым конструкциям с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации. Рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом круговой формы и установленный на ней рельс. Упомянутый рельс выполнен трехглавым, имеющим центральную главу и две боковые главы. Главы объединены подошвой, имеющей форму круговой арки, копирующую форму внешней поверхности верхнего пояса, который соединен с рельсом посредством шпилек. Статические моменты верхней и нижней частей сечения конструкции относительно главной горизонтальной оси, делящей высоту сечения пополам, равны друг другу для сбалансирования сечения всей конструкции. Изобретение обеспечивает снижение материалоемкости конструкции. 3 табл., 4 ил.

Изобретение относится к подкрановым конструкциям преимущественно с тяжелым интенсивным режимом работы (8К…7К) мостовых кранов, например на комбинатах черной и цветной металлургии.

Известны подкрановая балка с трубчатым верхним поясом [1, патент России №1745804] (прототип), амортизирующим при действии вертикальных Р и горизонтальных Т сил, передающихся на подкрановую балку. Однако рельсовые крепления не обеспечивают закрепления рельса без его продольного проскальзывания и сечение подкрановой балки не сбалансировано. Известен также подкрановый рельс, выполненный на основе круговой арки [2, заявка №98117701].

Технический результат изобретения – снижение материалоемкости рельсобалочной конструкции.

Технический результат достигнут тем, что рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом круговой формы и установленный на ней рельс.

Отличие в том, что рельс выполнен трехглавым, имеющим центральную главу и две боковые главы. Упомянутые главы объединены подошвой, имеющей форму круговой арки, копирующую форму внешней поверхности верхнего пояса, который соединен с рельсом посредством шпилек.

При этом статические моменты верхней и нижней частей сечения конструкции относительно главной горизонтальной оси, делящей высоту сечения пополам, равны друг другу для сбалансирования сечения всей конструкции.

Все сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано, что обеспечено равенством статических моментов:

где S_хв=S_хн – статические моменты соответственно верхней и нижней частей сечения относительно главной горизонтальной оси X, делящей высоту сечения точно пополам.

Сравнение разработанной рельсобалочной конструкции с прототипом показывает ее существенные отличия: рельс работает в составе сечения и все сечение сбалансировано.

На фиг. 1 показано сечение рельсобалочной конструкции; на фиг 2 – вид сбоку; на фиг.3 – опорное ребро; фиг.4 – иллюстрирует пример расчета.

Рельсобалочная конструкция содержит трехглавый рельс 1, основой которого служит круговая арка. Рельс имеет центральную главу а и две боковые b. Главы объединены в арочный в сечении рельс посредством подошвы с, имеющей форму круговой арки.

Рельс 1 установлен на верхнем трубчатом поясе d подкрановой балки 2. Верхний пояс d соединен непрерывным швом со стенкой i, a последняя соединена с нижнем поясом К.

Рельс 1 закреплен на балке 2 без возможности сдвига. Соединением осуществлено шпильками 3, являющимися затяжками арочного рельса 1. В момент нахождения колеса крана над шпилькой усилие натяжения в ней возрастает. То есть она самонапрягается.

Балансировка рельсобалочной конструкции реализована следующим образом. Равенство статических моментов (1) может быть выполнено только при определенной высоте Н сечения рельсобалочной конструкции и площади сечения А_св нижнего пояса балки.

Из условия (1) находим необходимую площадь сечения свесов (фиг.4):

где A_в=A_рел+A_о – площадь сечения верхней части балки, состоящая из площадей сечений рельса A_рел и трубы А_о;

h_в – высота сечения верхней части балки, равная:

h_в=h_рел+0,5D

h_рел – высота рельса (рельс сбалансирован);

D – внешний диаметр трубы верхнего пояса;

С_в – расстояние от верхнего края сечения до центра тяжести верхней части балки, равное:

С_св – расстояние от нижнего края сечения до центра тяжести свесов нижнего пояса.

Получив по (2) площадь сечения свесов А_св, легко определить главный момент инерции сбалансированной рельсобалочной конструкции:

Подставив в (4) А_св (2), получим кубическое уравнение:

Из уравнения (5) легко найти высоту сечения рельсобалочной конструкции. Для этого необходимо найти требуемый момент сопротивления из условия прочности на изгиб.

где М – изгибающий момент в рельсобалочной конструкции,

– коэффициент условий работы,

R_y – расчетное сопротивление стали на изгиб.

Назначить крановый арочный рельс в зависимости от сосредоточенного воздействия Р колеса крана, то есть А_рел; h_рел; J_рел.

Назначить трубу верхнего пояса, то есть A_о; D; J_о.

Определить характеристики верхней части балки, считая, что рельс и труба работают совместно как единое целое, то есть найти их общий центр тяжести и расстояние С_в по формуле (3).

Найти их общий момент инерции:

Из условия прочности на срез задаться толщиной стенки балки t_cm, задаться толщиной свесов t_cm=2С_св, определить:

h_в=h_рел+0,5D.

Собственным моментом инерции свесов J_cв пренебрегаем. Решив уравнение (5), находим высоту сечения Н сбалансированной рельсобалочной конструкции, находим высоту стенки (фиг.4):

По формуле (2) находим площадь свесов:

Таким образом, все размеры рельсобалочной конструкции определены.

Далее, как обычно, проверяем подобранное сечение.

Проверяем балансировку сечения:

Убедившись, что сечение сбалансировано, по (4) находим главный момент инерции J_x, а затем и моменты сопротивления:

W_хв=W_хн=2J_х/H.

Проверяем прочность сечения при изгибе в вертикальной плоскости:

Расчет тормозной балки выполняем как обычно. Проверку прочности сечения на косой изгиб выполняют по формуле:

где М_T – тормозной момент от изгиба рельсобалочной конструкции в горизонтальной плоскости;

J_y – главный момент инерции тормозной балки;

x_min – расстояние от центра тяжести тормозной балки до внешней грани боковой главы рельса.

Максимальные по модулю напряжения при изгибе сечения в вертикальной и горизонтальной плоскостях возникают в несовпадающих точках, поэтому прочность сечения на косой изгиб легко обеспечивается.

Покажем эффективность разработанной конструкции на числовом примере. Сравнение произведем с подкрановой балкой, рассчитанной в учебнике профессора К.К.Муханова [3, с. 254].

Для сравнения результатов исходные данные оставляем без изменения и принимаем такими же.

Расчетные значения:

Момент в середине пролета М=3839 кНм =3839000 гНсм

Поперечная сила на опоре Q=435 кН =4350 гН

Сталь ВСт3сп5 ГОСТ 27772-88

Расчетное сопротивление по действующим нормам R_y=230 МПа, но для сравнения результатов оставим как у К.К.Муханова, то есть R_y=210 МПа; =0,9.

Вычисляем требуемый момент сопротивления

Примем верхний пояс подкрановой балки из трубы диаметром D=29,9 см с толщиной стенки t=0,8 см [4, с. 71]: A_о=73,12 см², i=10,3 см, J_o=73,12·10,3²=7757,3 см⁴, J_КР=J_p=2J_о=15514,6 см⁴.

Рельс арочный сбалансированный КР 100

А_рел=113,32 см², h_рел=19,25 см, J_рел=5574,7 см⁴.

Тогда A_в=113,32+73,12=186,44 см²

Момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции:

Примем толщины: стенки t_cm=1 см, свесов t_св=2 см.

Определяем коэффициенты кубического уравнения (5):

H³+913,44H²-158000,51H+447939,6=0 Н=146,21 см.

По (2) находим А_св:

По (4) вычисляем главный момент инерции:

где J_св=126,06·2²/12=42,02 см⁴,

h_cm=146,21-34,2=112,01 см

Тогда W_x=2J_x/H=20314,5>20312,2 см³.

Момент сопротивления рельсобалочной конструкции чуть больше требуемого!

Выполняем проверку прочности рельсобалочной конструкции на изгиб в вертикальной плоскости:

Прочность достаточна.

Для определения материалоемкости определяем площадь сечения в см² (см. табл.1).

Таким образом, произошло снижение материалоемкости на 18,5%! Произведем проверку выносливости в зоне соединения верхнего пояса со стенкой. Проверка производится от нормативной сосредоточенной силы -Р=505 кН=5050 гН с учетом коэффициента повторяемости нагрузки _n=0,6 [5, с. 2, п.1.7и] и локальности воздействия _f1=1,3 (гибкий подвес груза) [5, с. 7, п.4.8], [6, с. 50]. (см. табл.2, 3).

Предел выносливости в зоне верхнего поясного шва определен экспериментально на базе 4^х миллионов циклов нагружений при пульсирующих циклах касательных напряжений [7, с. 28, с. 29] равен R=64,4 МПа.

Следовательно, в нашем случае выносливость обеспечена

_2max=24,5=64,4 МПа

и усталостных трещин в наиболее опасной зоне, то есть в шве со стороны эксцентриситета возникнуть не может. Балка работает в зоне так называемой “неограниченной долговечности”. В прототипе же выносливость не обеспечена и усталостные разрушения в нем возникнут.

_2max=67,1=64,4 МПа

Экономический эффект достигнут повышением долговечности разработанной конструкции во много раз и обеспечением ее работы в зоне “неограниченной долговечности”.

Одновременно материалоемкость конструкции снижена на 18,5%. Экономический эффект достигнут также посредством исключения вертикальных ребер жесткости, обычно привариваемых вручную, вследствие чего ликвидирован большой объем ручной работы. Например, в прототипе имеется 9 ребер, двухсторонних ребер, причем каждое ребро приварено с двух сторон вручную. l=1,6·2·2·9=57,6 м.

В нашем случае ручная сварка отсутствует и применятся только автоматическая.

Источники информации

1. Патент России №1745804.

2. Заявка на получение патента России №98117701.

3. Муханов К.К. Металлические конструкции. Учебник для ВУЗов, – М.: Стройиздат, 1978 г., с. 572.

4. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций, Днепропетровск, “Промiн”, 1975 г.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия, М.: Госстрой СССР, 1987 г.

6. Нежданов К.К. Долговечные подкрановые конструкции: Учебное пособие – Пенза: Пензенский гос. архитектурно-строительный институт, 1995 г. – 80 с.

7. Нежданов К.К. Автореферат докторской диссертации. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета. М.: Московский строительный университет, 1993 г.

Формула изобретения

Рельсобалочная конструкция, содержащая подкрановую балку с трубчатым верхним поясом круговой формы и установленный на ней рельс, отличающаяся тем, что рельс выполнен трехглавым, имеющим центральную главу и две боковые главы, упомянутые главы объединены подошвой, имеющей форму круговой арки, копирующую форму внешней поверхности верхнего пояса, который соединен с рельсом посредством шпилек, при этом статические моменты верхней и нижней частей сечения конструкции относительно главной горизонтальной оси, делящей высоту сечения пополам, равны друг другу для сбалансирования сечения всей конструкции.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.08.2004

Извещение опубликовано: 20.09.2006 БИ: 26/2006

TK4A – Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях “Изобретения (заявки и патенты)” и “Изобретения. Полезные модели”

Напечатано: Дата досрочного прекращения действия 14.08.2004

Следует читать: Дата досрочного прекращения действия 20.07.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 26-2006

Код раздела: MM4A

Извещение опубликовано: 10.10.2006 БИ: 28/2006