Рельсобалочная конструкция

 

Изобретение относится к транспортным конструкциям преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации, например к подкрановым балкам мостовых кранов. Рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку и закрепленные на ней трехглавые рельсы. Подкрановая балка выполнена трубчатой эллиптической в сечении, ориентированной большой осью вертикально. Сверху и снизу на нее установлены упомянутые трехглавые рельсы, которые копируют своей подошвой верхний и нижний участки подкрановой балки. Каждый из рельсов имеет центральную главу, воспринимающую вертикальную силу от основного колеса кранами, две боковые главы, воспринимающие горизонтальные тормозные силы от направляющих роликов крана. Рельсы соединены с подкрановой балкой заклепками с внедряемым сердечником. В полости эллипса по центру установлено упругое кольцо, которое плотно примыкает к стенкам подкрановой балки изнутри и соединено с ними заклепками с внедряемыми сердечниками. При этом сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси. Технический результат изобретения - повышение долговечности и ремонтопригодности рельсобалочной конструкции с одновременным снижением ее материалоемкости. 4 ил.

Изобретение относится к транспортным конструкциям, преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации 8К, 7К, например к подкрановым балкам мостовых кранов, к главным балкам стальных железнодорожных мостов с укладкой рельсового пути непосредственно на балки.

Известна подкрановая конструкция, содержащая двутавровые подкрановые балки с уложенными на них крановыми рельсами [1, с. 239, рис. VI.37].

Эта конструкция имеет следующие недостатки.

- Низкая выносливость верхней зоны под рельсом. В зоне верхних поясных швов через 0,7...1 млн. циклов нагружений (1...2 года интенсивной эксплуатации) возникают усталостные трещины, приводящие конструкцию в негодность [2].

- Высокая трудоемкость изготовления, так как имеется много ручной сварки (швы ребер жесткости).

За аналог (по совокупности существенных признаков) примем устройство, описанное в патенте RU 2126768.

Техническая задача изобретения - повышение долговечности и ремонтопригодности рельсобалочной конструкции с одновременным снижением ее материалоемкости.

Техническая задача решена тем, что рельсобалочная конструкция, содержащая подкрановую балку и закрепленный на ней рельс, снабжена дополнительным трехглавым рельсом.

Подкрановая балка выполнена трубчатой эллиптической в сечении, ориентированной большой осью вертикально, причем сверху и снизу на ней установлены упомянутые трехглавые рельсы. Эти рельсы копируют своей подошвой верхний и нижний участки подкрановой балки и поэтому имеют арочный профиль.

Эти рельсы соединены заклепками с внедряемыми сердечниками с эллиптической подкрановой балкой, а в полости последней по центру установлено упругое кольцо, плотно примыкающее к стенкам изнутри и соединенное с ними заклепками с внедряемыми сердечниками. Все сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

Трехглавые рельсы закреплены на подкрановой балке без проскальзывания и составляют с подкрановой балкой единое целое.

Равенство статических моментов обеспечивает балансировку сечения рельсобалочной конструкции: S_Xв = S_Xн, (1) где S_Xв=S_Xн - статические моменты соответственно верхней и нижней частей сечения относительно главной горизонтальной оси X, делящей его высоту точно пополам.

Сопоставление с аналогом показывает существенные отличия разработанной конструкции.

- Подкрановая балка трубчатая эллиптическая в сечении имеет две оси симметрии. Форма сечения балки обеспечивает амортизирующие свойства его.

- Упругие кольца в центре обеспечивают регуляцию амортизирующей способности и обеспечивают устойчивость стенок балки.

- Эллиптическое сечение легко воспринимает кручение при действии горизонтальных сил Т от торможения крана, так как обладает в сотни раз большим моментом инерции при кручении, чем двутавровое (в нашем случае в 211381,9/413= 511,8 раза).

- Трехглавые рельсы размещены сверху и снизу, то есть в зонах наибольших напряжений при изгибе. Прочность рельсов в 2...3 раза выше, чем у обычной малоуглеродистой стали и этим обеспечено дополнительное снижение материалоемкости.

- В нашем случае тормозная балка не требуется.

На фиг. 1 показана разработанная рельсобалочная конструкция, на фиг.2 - схема размещения стыков рельсов, на фиг.3 - вид сбоку в зоне опирания балки на колонну (колонна не показана), на фиг.4 - опорное ребро.

Рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку 1 - эллиптическую в сечении трубу, ориентированную большим диаметром вертикально. Сверху и снизу на ней закреплены без проскальзывания трехглавые рельсы 2. Каждый из рельсов имеет центральную главу a, воспринимающую вертикальную силу Р от основного колеса крана и две боковые главы в, воспринимающие горизонтальные тормозные силы T от направляющих роликов крана. Подошва С каждого из рельсов 2 копирует эллиптическую поверхность подкрановой балки 1, плотно охватывая ее. Соединение рельсов 2 выполнено с помощью шпилек 3, затянутых с гарантированным натягом. В полости подкрановой балки 1 имеется упругое кольцо 4, соединенное с ее стенками заклепками 5 с внедряемыми сердечниками [3]. Упругое кольцо 4 предназначено для регулировки податливости подкрановой балки 1 в вертикальном направлении при действии сил Р и для обеспечения устойчивости стенок балки 1. Увеличение податливости кольца приводит к увеличению податливости всей балки 1 и наоборот. Таким образом, кольцо 4 является регулятором амортизирующей способности подкрановой балки 1.

Изготавливается рельсобалочная конструкция в следующей последовательности.

Фрезеруют торцы у подкрановой балки 1. Совмещают отверстия в стенках и кольце 4 и в напряженном состоянии соединяют кольца 4 со стенками, фиксируя заданную эллиптическую форму поперечного сечения подкрановой балки 1.

В трубе 1 по шаблону образуются отверстия для фрикционных элементов 3 и подготавливаются упругие кольца 4 с отверстиями в них.

Производят обжатие трубы 1 гидродомкратами с боков до соприкосновения стенок подкрановой балки 1 с кольцами 4.

По одному и тому же шаблону сверлят отверстия в подошве рельсов и соответствующие отверстия в подкрановой балке 1, причем рельсы предпочтительно применять длиной 24 м, а стыки рельсов выполнять в четверти пролета балки.

При двенадцатиметровом пролете балки (наиболее широко используется в промышленных цехах) стыки рельсов будут размещены через пролет подкрановой балки 1 (фиг.2), причем стык будет размещен в 1/4 пролета от одной колонны и в 3/4 пролета от другой. Следовательно, стыки верхних и нижних рельсов не совпадают, а рельсы перекрывают стыки подкрановых балок 1, превращая разрезной подкрановый путь в неразрезной.

Последовательность изготовления и монтажа следующая.

Фрезеруют торцы подкрановых балок.

Соединяют подкрановые балки попарно в монтажные блоки, объединяя их в единое целое 24-метровыми рельсами (торцы фрезерованы) и накладками, причем рельсы верхний и нижний выступают соответственно влево и вправо консольно на 3 метра.

У монтажного блока первого и второго пролетов срезают выступающую внизу консоль слева и устанавливают срезанный кусок на подкрановую балку слева сверху.

Монтируют первый монтажный блок и соединяют его с колоннами по вертикали и по горизонтали. Затем монтируют второй монтажный блок, опирая его с одной стороны нижней частью на консольно выступающий рельс первого блока, причем верхний рельс блока ложится на смонтированную подкрановую балку сверху, плотно упираясь торцом в верхний рельс первого блока.

Отверстия в рельсах и балках неизбежно совпадают, так как они просверлены по шаблону. Производят соединения рельсов с балками первого и второго блоков, а также устанавливают на стыках балок накладки. Соединяют смонтированный монтажный блок с колоннами. Затем циклы продолжают и наращивают подкрановый путь по всей длине цеха.

Соединения заклепками с внедряемым сердечником, предотвращают проскальзывание рельсов по отношению к балкам и объединяют рельсы и балки в единую рельсобалочную конструкцию. Стыки балок перекрыты трехглавыми рельсами и накладками, и разрезной подкрановый путь превращен в неразрезной.

Работа рельсобалочной конструкции.

Рельсобалочная конструкция работает на косой изгиб при действии вертикальных сосредоточенных сил Р от основных колес крана, воспринимаемых центральной главой рельса и горизонтальных сил Т от направляющих роликов крана, передаваемых на боковые главы рельса.

Рельсобалочная конструкция, при действии сил Р, амортизирует, что обеспечено ее формой. Амортизирующая способность регулируется жесткостью упругих колец, размещенных в полости подкрановой балки. Рельсы - верхний и нижний, выполнены из специальной рельсовой стали, имеющей прочность в 2...3 раза большую, чем малоуглеродистая сталь, чем обеспечивается дополнительное снижение материалоемкоcти (в расчете не учитывалось).

Горизонтальные силы Т закручивают сечение рельсобалочной конструкции, но эти воздействия легко воспринимаются, так как момент инерции при кручении новой конструкции в сотни (511,8) раз превышает момент инерции двутаврового прототипа.

Параметры и характеристики рельсобалочной конструкции находим следующим образом.: Задаваясь отношением высоты к ширине эллипса К, толщиной стенки эллипса t_cт и характеристиками арочного рельса, находим из кубического уравнения половину высоты эллипса а.

где а - половина высоты эллипса, t_ст - толщина стенки эллипса, А_рел - площадь сечения рельса, t_п - толщина подошвы рельса, t_г - толщина главной главы рельса, h_р - высота рельса,
W_x - момент сопротивления рельса.

Находим высоту сечения рельсобалочной конструкции:
H = (2а + t_п + t_г. (3)
Ширина конструкции:
b = H/K. (4)
Площадь эллипса будет равна:
A₀ = π[ab - (a - t_ст)(b - t_ст)], (5)
где b - половина ширины эллипса.

Диаметр соответствующей трубы:

Суммарная площадь сечения балки:
A = A₀ + 2A_рел. (7)
Момент инерции эллипса при изгибе:

Главный момент инерции подкрановой балки:

Моменты сопротивления:

Проверяем напряжения в вертикальной плоскости:

Покажем эффективность разработанной конструкции на числовом примере. Сравнение произведем с подкрановой балкой, рассчитанной в учебнике профессора К.К. Муханова [1, с. 254].

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

Расчетные значения:
Момент в середине пролета М = 3839 кН•м = 3839000 гН•см.

Поперечная сила на опоре Q=435 кН=4350 гН.

Сталь ВСт3сп5 ГОСТ 27772-88.

Расчетное сопротивление по действующим нормам R_у= 30 МПа, но для сравнимости результатов оставим как у К.К. Муханова, то есть R_у = 210 МПа; γ = 0,9.

Задаемся отношением высоты к ширине эллипса K = 3, толщиной стенки эллипса t_ст = 0,9 см, рельсом КР 80.

Вычисляем.

Требуемый момент сопротивления
.

Рельс арочный ∩KP 80 (сбалансированный) [5]
A_рел = 81,13 cм², h_рел = 21,05 см, J_рел = 3854,91 см⁴, t_п = 0,6 см, t_п = 3,5 см.

Определяем коэффициенты кубического уравнения (2) и решаем его:
а³ + 1112, 6755a² - 15611,8845а - 50077,1115 = 0,
а = 82,9096 см.

Высота сечения:
H = 2(82,9096 + 0,6 + 3,5) = 174,02 см.

Ширина конструкции:
b = 82,9096/3 =27,6365 см.

Площадь эллипса:
А₀=3,14(82,9096•27,6365-82,0096•26,7365)=310,02 см².

Диаметр исходной трубы:
D=310,02/(3,14•0,9)-0,9=108,746 см.

Момент инерции эллипса при изгибе:

По (9) вычисляем главный момент инерции:

Тогда W_x=2J_x/H=2•1770269/174,02=20345,67 см³>20312,2 см³.

Момент сопротивления рельсобалочной конструкции чуть больше требуемого!
Выполняем проверку прочности рельсобалочной конструкции на изгиб в вертикальной плоскости:

Прочность достаточна.

Принимаем подкрановую балку из трубы диаметром D=112 см с толщиной стенки t_ст= 0,9 см [4, с. 77]: A₀=314 см², i=39,3 см, J₀=314•39,3²=484970 cм⁴.

Суммарная площадь балки (балка и два рельса):
A_Σ/= 314+2•81,13 = 476,39 см².
Суммарная площадь балки проф. К.К. Муханова (балка, рельс и тормозная балка):
А=521,13+100,5+81,13=702,76 см².

Таким образом, произошло снижение материалоемкости на 32,21%. (Если учесть неразрезность конструкции, то эффект увеличится!).

Момент инерции кручения эллипса:

Произошло увеличение момента инерции кручения в 211381,9/413=511 раз (где J_кр.пoяca=bt_п ³/3=60•2³/3=413 см⁴).

Определим касательные напряжения в балке.

Плечо тормозной силы T:
e=(a-h_p+t_п+t_г)=82,9096-19,05+0,6+3,5=67,96 cм.

Крутящий момент:

Касательные напряжения при кручении всей конструкции от тормозных воздействий:

Напряжения незначительны.

Экономический эффект достигнут снижением материалоемкости на 32,21%. В рельсобалочной конструкции возникновение усталостных трещин невозможно. Локальные напряжения в ней столь малы, что она работает в зоне неограниченной долговечности. Повышение долговечности достигнуто рациональной формой конструкции, в которой эффективные коэффициенты концентрации напряжений близки к 1, а удары смягчены амортизацией.

Источники информации
1. Муханов К.К. Металлические конструкции. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1978. - 572 с.

2. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий / А.И. Кикин, А.А. Васильев, Б.Н. Кошутин и др. Под ред. А.И. Кикина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. - 301 с., ил.

3. Нежданов К. К., Васильев А.В, Калмыков В.А., Нежданов А.К. Способ и устройство для неподвижного соединения. Патент России 2114328. Бюл. 18, зарег. 27.06.1998.

4. Сахновский М. М., Справочник конструктора строительных конструкций. Днепропетровск, "Промiнь", 1975. - 327 с.

5. Заявка Пензенской ГАСА на получение патента России 98117701 от 29.09.1998 г.

Формула изобретения

Рельсобалочная конструкция, содержащая подкрановую балку и закрепленный на ней трехглавый рельс, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным трехглавым рельсом, а подкрановая балка выполнена трубчатой эллиптической в сечении, ориентированной большой осью вертикально, причем сверху и снизу установлены упомянутые трехглавые рельсы, копирующие своей подошвой верхний и нижний участки подкрановой балки и соединенные с ней заклепками с внедряемым сердечником, а в полости эллипса по центру установлено упругое кольцо, плотно примыкающее к стенкам изнутри и соединенное с ними заклепками с внедряемыми сердечниками, при этом сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4