Рельсобалочная конструкция

 

Изобретение относится к рельсовым транспортным конструкциям, преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации. Рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом, трехглавый рельс, тормозную балку и две затяжки. Подкрановая балка состоит из верхнего пояса, выполненного из трубы эллиптического профиля и ориентированного большим диаметром вертикально, стенки и нижнего пояса. Трехглавый рельс состоит из основной главы, подошвы эллиптического или параболического профиля и двух боковых глав. Основная глава рельса воспринимает вертикальные воздействия от основных колес крана, а боковые главы воспринимают горизонтальные воздействия от направляющих роликов крана. Тормозная балка состоит из горизонтального листа и внешнего пояса. На подкрановой балке установлен трехглавый рельс, который копирует своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса и охватывает верхний пояс снаружи. Трехглавый рельс соединен с верхним поясом в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжек. Сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси. Технический результат изобретения - повышение долговечности и снижение материалоемкости рельсобалочной конструкции. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к рельсовым транспортным конструкциям, преимущественно к подкрановым с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации 8К, 7К, например, на комбинате черной и цветной металлургии.

Известна подкрановая балка [1, с. 257], содержащая верхний пояс, стенку и нижний пояс, выполненные из листовой стали. Принимаем известное решение за аналог. Недостатки аналога: низкая долговечность [2, с. 126] и значительная материалоемкость.

За прототип примем патент RU 981 12777, 10.04.2000, в котором описана подкрановая конструкция, содержащая подкрановую балку, с трубчатым верхним поясом и установленным на ней трехглавым рельсом, копирующим своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса, охватывающим верхний пояс снаружи и соединенный с ним в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжки.

Технический результат изобретения - повышение долговечности и снижение материалоемкости рельсобалочной конструкции.

Технический результат достигнут тем, что рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом и установленным на ней трехглавым рельсом, копирующим своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса, охватывающим верхний пояс снаружи и соединенный с ним в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжек. Верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально, причем сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

Верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально, причем сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

Балансировка рельсобалочной конструкции обеспечена равенством статических моментов верхней и нижней половин сечения относительно главной оси х S_Xв = S_Xн (1) где S_Хв, и S_Хн - статические моменты верхней и нижней половин сечения.

Сопоставление с аналогом показывает существенные отличия разработанной конструкции: Верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально. Благодаря этому выше нейтральной оси балки плоская стенка заменена на замкнутый полый профиль, отлично работающий в сжатой части рельсобалочной конструкции. Устойчивость поверхности обеспечена без каких-либо ребер.

Верхний пояс подкрановой балки может быть выполнен из трубы параболического профиля, образованной из двух параболических арок, соединенных друг с другом пятами.

Подошва трехглавого рельса копирует внешнюю поверхность эллиптической или параболической трубы, охватывает ее снаружи и соединена с ней в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими функции затяжки эллиптической или параболистической арки, причем затяжки самонапрягающиеся. При прохождении колеса крана над затяжкой усилие растяжения в ней возрастает и следовательно, фрикционные усилия между рельсом и трубой также возрастают и пpепятствуют проскальзыванию рельса.

Все сечение сбалансировано, то есть статические моменты верхней и нижней частей сечения равны.

Равенство статических моментов приводит к равенству моментов сопротивления верхней и нижней частей сечения W_Xв = W_Xн, что приводит к снижению материалоемкости на 24,5 %.

На фиг. 1 показано сечение рельсобалочной конструкции; на фиг.2 - вид сбоку, в зоне стыка, торцы балок фрезерованы и плотно подогнаны друг к другу. Рельс перекрывает стык балок, превращая конструкцию в неразрезную (колонна условно не показана). На фиг.3 показано опорное ребро.

Рельсобалочная конструкция содержит трехглавый рельс 1 эллиптического профиля, подкрановую балку 2, тормозную балку 3, две затяжки 4, заклепки с внедряемым сердечником 5 и опорное ребро из двух уголков 6.

Трехглавый рельс 1 в свою очередь состоит из основной главы а, воспринимающей вертикальные воздействия Р от основных колес крана, подошвы в эллиптического профиля, двух боковых глав с, воспринимающих горизонтальные тормозные силы Т от направляющих роликов крана (Т приложена к одном из боковых глав).

Подкрановая балка 2 состоит из верхнего трубчатого пояса d эллиптического профиля, ориентированного большим диаметром вертикально, стенки i и нижнего пояса f балки.

Тормозная балка 3 состоит из горизонтального листа m и внешнего пояса к.

Трехглавый рельс 1 и подкрановая балка 2 объединены в единое целое посредством фрикционных само напрягающихся шпилек 4, пропущенных сквозь трубчатый профиль d верхнего пояса балки 2.

Рельсобалочная конструкция компонуется следующим образом: назначаем диаметр D_ucx и толщину стенки t_o исходной трубы; назначаем толщину стенки t_cm рельсобалочной конструкции из условия прочности на срез и учитывая гибкость конструкции; назначаем толщину свесов нижнего пояса t_св, равную 18... 30 мм; назначаем крановый арочный рельс в зависимости от сосредоточенного воздействия Р колеса крана, то есть А_рел, h_рел J_peл.;
Находим требуемый момент сопротивления из условия прочности на изгиб:

где М - изгибающий момент в рельсобалочной конструкции;
γ - коэффициент условий работы;
R_y - расчетное сопротивление стали на изгиб.

- Площадь параболической трубы:

Ширина параболической трубы:

где h_рел - высота рельса;
b_o - размер полости рельса;
t_г - высота главной главы рельса.

Высота параболической трубы:

Балансировка рельсобалочной конструкции реализована следующим образом. Равенство статических моментов 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:

где А_в = А_рел + А_о - площадь сечения верхней части балки, состоящая из площадей сечений рельса А_рел и параболической трубы А_о;
h_в - высота сечения верхней части балки, равная:
h_в = D + t_г, (7)
где D - внешний диаметр параболической трубы верхнего пояса;
С_в - расстояние от верхнего края сечения до центра тяжести верхней части балки, равное:
C_в = D/2 + t_г - C, (8)
где С - расстояние от центра тяжести параболической трубы до центра тяжести верхней части подкрановой балки:

Собственный момент инерции параболической трубы:

где h = D/2, h_o = D/2-t₀.

Момент инерции верхней части балки относительно центра тяжести параболической трубы:

Главный момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции:
J_хвг = J_хв - C² (A_рел + A_о), (12)
Получив по (6) площадь сечения свесов А_св, легко определить главный момент инерции сбалансированной рельсобалочной конструкции по общеизвестным формулам сопротивления материалов:

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

Подставив в (13) А_св (6), получим кубическое уравнение:

Собственным моментом инерции свесов J_cв пренебрегаем.

Решив уравнение (14), находим высоту сечения Н сбалансированной рельсобалочной конструкции, находим высоту стенки:
h_ст = H - h_в (15)
По формуле (6) находим площадь свесов:
b_(св) = A_св/t_(св) (16)
Таким образом, все размеры рельсобалочной конструкции определены.

Далее как обычно проверяем подобранное сечение.

Проверяем балансировку сечения:
(A_в - h_вt_ст)(0,5H - C_в) = A_св(0,5H - C_св). (17)
Убедившись, что сечение сбалансировано, по (10) 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 плоскоcти:

Расчет тормозной балки выполняем как обычно.

Следует отметить, что точки с максимальными по модулю напряжениями при изгибе сечения в вертикальной и горизонтальной плоскостях не совпадают. Проверку на косой изгиб сечения выполняем по формуле

где М_т - 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.

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 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; γ = 0,9.

Вычисляем:
Требуемый момент сопротивления

Примем верхний пояс подкрановой балки из трубы диаметром D = 32,5 см с толщиной стенки t = 0,8 см [2, с.71]: A_o = 79,67 cм²,
Рельс параболический трехглавый арочный ПКР 80 (сбалансированный) [3]
А_рел = 81,08 см², h_peл = 20 см, J_peл = 5042,7 см⁴.

Ширина параболической трубы:
.

Высота параболической трубы:
D = (3π/4)(32,5-0,8)-(13,16-2•0,8) = 63,127 см.

Собственный момент инерции параболической трубы:

Момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции относительно центра тяжести параболической трубы:

Расстояние от центра тяжести параболической трубы до центра тяжести верхней части подкрановой балки:

Главный момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции:
J_хвг = 40462,068 - 6,1² (81,08 + 79,67) = 34474,574 см⁴.

Площадь сечения верхней части:
А_В = 81,08 + 79,67 = 160,75 см².

Расстояние от верха рельсобалочной конструкции до центра тяжести параболической трубы и рельса:
С_В = 63,127/2 + 2,1 - 6,103 = 27,56 см.

Высота верхней части:
h_В = 63,127 + 2,1 = 65,227 см.

Примем толщины: стенки t_cm = 1,2 см, свесов t_cв = 1,8 cм.

Определяем коэффициенты кубического уравнения (5):
H³ + 412,3902H² - 132074,0216H + 536057,3419 = 0.

Н = 208,558 см.

По (2) находим А_св:

Проверяем балансировку сечения:
(160,75-65,227•1,2)(0,5•208,558-27,561) = 61,2076(0,5•208,558-0,9)
6327,59 ≈ 6327,58.

По (13) вычисляем главный момент инерции:

где J_св = 61,208-1,8²/12 = 16,53 см⁴,
h_cm = 208,558-65,227= 143,33 см.

Тогда W_х = 2J_x/H = 2•2118149,2/208,558 = 20312,33 см³ > 20312,2 см³.

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

Прочность достаточна.

У аналога верхний пояс - лист 60 х 2, момент инерции при кручении:

В нашем случае верхний пояс - параболическая труба В₀ = 13,16 см, D = 63,13 cм, момент инерции при кручении рассчитываем как у полого эллипса:

Произошло увеличение момента инерции пояса при кручении в
2644/156,6 =16,9 раза.

Выполняем проверку на косой изгиб сечения:

Для определения материалоемкости определяем площадь сечения в см² (см. таблицу в конце описания).

Таким образом произошло снижение материалоемкости на 24,5%
Экономический эффект достигнут снижением материалоемкости на 24,5%. 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.

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

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

3. Попченков И. В. Новые профили крановых рельсов. Прочность рельсобалочных конструкций. Канд. дис. Пенза, ПГАСА, 2000.

Формула изобретения

Рельсобалочная конструкция, содержащая подкрановую балку с трубчатым верхним поясом и установленным на ней трехглавым рельсом, копирующим своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса, охватывающим верхний пояс снаружи и соединенный с ним в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжек, отличающаяся тем, что верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально, причем сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4