Несимметричная подкрановая конструкция

 

Изобретение относится к металлическим конструкциям черной и цветной металлургии и связано преимущественно с тяжелым режимом работы кранов. Несимметричная в сечении металлическая подкрановая конструкция содержит двутавровую подкрановую балку, соединенную с горизонтальной тормозной балкой. Двутавровая подкрановая балка содержит верхний пояс, выполненный из трубы, наклонную стенку и нижний пояс. Стенка подкрановой балки ориентирована по радиусу из центра трубы и наклонена под острым углом к вертикали. Тормозная балка содержит внешний пояс и тормозной лист. Технический результат изобретения - снижение материалоемкости и придание подкрановой конструкции амортизирующей способности. 4 ил., 3 табл.

Изобретение относится к металлическим подкрановым конструкциям, преимущественно в цехах черной и цветной металлургии с интенсивным тяжелым режимом работы (8К, 7К).

Известна несимметричная подкрановая конструкция, состоящая из двутавровой подкрановой ориентированной вертикально и горизонтальной тормозной балок. Балки соединены между собой и представляют тонкостенный несимметричный стержень незамкнутого профиля, подверженный косому изгибу от сил, действующих вертикально - Р и горизонтально - T, причем горизонтальные силы по действующим нормам [1, с.6] достигают до 10% от вертикальных (8К, 7К).

Т=0,1Р Одновременно на подкрановую балку через рельс передаются крутящие воздействия Мкр, так как силы Р и Т действуют с эксцентриситетом [2, с. 48], [3, с. 187, рис. 10.9], [4, с. 377, рис. 15.11].

За аналог примем патентный документ RU 98112777 A, 10.04.2000, в котором описана металлическая подкрановая конструкция, содержащая подкрановую балку с трубчатым верхним поясом, соединенную с горизонтальной тормозной балкой.

Недостаток аналога - пониженная несущая способность несимметричного сечения, так как его главные оси направлены под углом к плоскости действия максимального изгибающего момента и поэтому прочностные свойства используются нерационально [5, с. 483-494].

Техническая задача изобретения - снижение материалоемкости и придание подкрановой конструкции амортизирующей способности.

Задача решена тем, что верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы, а ее стенка ориентирована по радиусу из центра трубы и наклонена под острым углом к вертикали.

где статические моменты элементов тормозной балки относительно второстепенной оси y из полюса О0: Sуг = Aгг - горизонтального тормозного листа; Sу вн = Aвнвн - внешнего пояса тормозной балки; SуТ = Aгг+Aвнвн - всей тормозной балки относительно второстепенной оси y; Sx - статический момент вертикально ориентированной балки относительно второстепенной оси x при =0.

Sстстrст - стенки вертикального двутавра; площади сечений элементов подкрановой конструкции: Аг - горизонтального листа тормозной балки; Авн - внешнего пояса тормозной балки;
A0 - трубы;
Ан - нижнего пояса;
Аст - стенки балки;
А=Атвн+A0ст+Aн - площадь всего сечения подкрановой конструкции;
моменты инерции:
максимальный момент инерции стенки до поворота,
минимальный момент инерции стенки до поворота;
плечи, измеренные от полюса О0 до центра тяжести соответствующего элемента в радиальном направлении:
г - горизонтального тормозного листа;
вн - внешнего пояса;
rн - нижнего пояса;
rст - стенки балки.

- угол между осью Х и нормалью к стенке, отсчитываемый в сторону тормозной балки.

Наклоном стенки подкрановой конструкции обеспечена благоприятная ориентация главных осей Х и У сечения и уменьшение материалоемкости, то есть плоскость действия максимального изгибающего момента Мmax совмещена с плоскостью максимального момента инерции Jmax сечения.

Сечение несимметричной подкрановой конструкции содержит трубчатый верхний пояс, наклонную стенку, горизонтальный нижний пояс и горизонтальную тормозную балку, включающую в себя тормозной лист и внешний пояс.

Центробежный момент инерции сечения JXY зависит от распределения материала по сечению и угла наклона стенки к вертикали.

Координаты центра тяжести О несимметричной подкрановой конструкции по отношению к центру тяжести трубчатого пояса 0 определяют следующим образом:
по вертикали относительно оси х0.

Cy = Sxcos/A, (2)
где Sx = (Aнrн+Aстrст)cos - статический момент нижнего пояса и наклонной стенки;
по горизонтали относительно второстепенной оси y:
x=Sy/A, (3)
где Sу - статический момент всего сечения, который складывается из статического момента тормозной балки SyT.

SyT = Aгг+Aвнвн
и статического момента наклонной балки Sy относительно оси y
Sy = (Aнrн+Aстrст)sin.
Статический момент всего сечения
SY = Aгг+Aвнвн+(Aнrн+Aстrст)sin.
Тормозную и подкрановую балки соединяют вместе, образуя единую конструкцию. Центробежный момент инерции ее относительно главных осей: горизонтальной X и вертикальной Y, проходящих через центр тяжести сечения, равен нулю (JXY=0), так как несимметричное сечение в целом и наклонная стенка обладают равными по величине, но противоположными по знаку центробежными моментами инерции относительно центра О всего сечения.


где rстsin, rстcos, rнsin, rнcos - проекции радиусов на оси X, Y соответственно.

Тогда центробежный момент инерции Jxy будет равен

Из формулы (4) получена формула (1), определяющая, каким образом должна быть наклонена стенка, чтобы главные оси Х и Y, проходящие через центр тяжести подкрановой конструкции, приняли соответственно горизонтальную и вертикальную ориентацию.

Конструкцию изготавливаем следующим образом. Точно определяем угол наклона стенки по отношению к вертикали по формуле (1), округляем угол до целого, а затем из формулы (5) находим статический момент тормозной балки, обеспечивающий равенство центробежного момента инерции сечения нулю (Jxy=0).


где Sx - статический момент вертикально ориентированной конструкции относительно оси x при = 0.
Затем, имея статический момент тормозной балки SyT, определяем ширину горизонтального тормозного листа
bг={SyT-0,5[Aвн(d+tвн)+Aгd]}/[Aвн+0,5 Aг]. (6)
Для нахождения моментов инерции предлагаемого сечения используем формулу

Далее найдем центробежный момент инерции относительно главных осей Х и Y:
JXY=Jxy-AXCY. (8)
Эту формулу будем использовать для проверки правильности вычислений. При правильном вычислении JXY будет равен нулю. Разработанная несимметричная конструкция, образованная из трубы, наклонной стенки, нижнего пояса и тормозной балки, имеет горизонтальную и вертикальную ориентацию главных осей Х и Y, поэтому в нашем случае при изгибе сечения напряжения в крайних точках на 20-25% меньше.

Моменты инерции и моменты сопротивления несимметричного сечения определяем обычным образом [5].

Первоначально для упрощения вычислений находим моменты инерции относительно второстепенных осей x и y, проходящих через центр тяжести трубы (при =0).

Тогда моменты инерции Jx и Jy будут равны:
относительно оси x
Jx=Jx соб + Aстrст 2 + Aнrн 2
относительно оси y
Jy = Jy соб + Aг2г + Aвн2вн, (9)
где суммы собственных моментов инерции элементов подкрановой балки
Jx соб=J0+[Aстhст 2нtн 2+Aгtг 2+Aвнhвн 2]/12;
Jy соб=J0+[Aстtст 2+Aнbн 2+Aгbг 2+Aвнtвн 2]/12;
первые три слагаемых учитывают подкрановую балку, остальные - тормозную балку.

Моменты инерции всего сечения с наклонной стенкой относительно вспомогательных осей x и y при 0
относительно оси x
Jx = Jx соб+[Aстr2ст+Aнr2н]cos2,
относительно оси y

причем при вычислении собственных моментов инерции необходимо учитывать угол поворота стенки, то есть


Затем, используя координаты центра тяжести подкрановой конструкции, определяем главные моменты инерции

Моменты сопротивления крайних точек находим обычным образом
WX=JX/y; WY=JY/x, (11)
где x и y координаты соответствующих точек.

Сопоставление разработанной конструкции с аналогом [3, 4] показывает ее существенные отличия. В прототипе главные оси Х и Y занимают произвольное положение, отличное от горизонтали и вертикали, поэтому при изгибе сечения напряжения в точках, наиболее удаленных от его центра тяжести возрастают, т. к. расстояние до них приходится измерять по радиусу.

В нашем же случае оси Х и Y занимают соответственно горизонтальную и вертикальную ориентацию, что приводит к значительному снижению материалоемкости (22,2%, см. пример).

На фиг.1 показано сечение подкрановой конструкции, состоящей из подкрановой 1 и тормозной 2 балок; на фиг.2 - фасад. Подкрановая балка содержит трубу a, наклонную стенку b и нижний пояс с. Тормозная балка 2 содержит внешний пояс d и тормозной лист e и соединена с подкрановой.

Разработанную конструкцию изготавливаем следующим образом.

Моменты инерции и моменты сопротивления определяем обычным образом [5]. Для упрощения вычислений находим моменты инерции относительно второстепенных осей x и y (9), проходящих через центр тяжести трубы, а затем, используя координаты центра тяжести всей подкрановой конструкции, определяем характеристики сечения и изготавливаем конструкцию с полученными характеристиками.

Пример конкретного выполнения (фиг.3 и 4).

Сравним разработанную конструкцию с аналогом, рассчитанным в учебнике профессора К.К.Муханова (6, с. 254, рис. VI, 44).

Характеристики его приведены в табл. 1. В этой же таблице приведены размеры, площади и статические моменты элементов сечения разработанной конструкции относительно осей x и y, уменьшенного на 22,2% по сравнению с аналогом.

Для перехода от обычной двутавровой подкрановой конструкции к разработанной необходимо уменьшить площади поперечных сечений нижнего пояса на 20-25%, стенки на 30-35%. Сечение верхнего пояса нужно уменьшить на 30-35% и заменить трубой.

Изготовление производим в определенной последовательности:
1. Определяем моменты инерции стенки балки до поворота ее. Собственные моменты инерции стенки подкрановой балки до поворота (=0)
Jстmax=Aстhст 2/12=165,61382/12=262807,2 см4;
Jстmminстtст 2/12=165,61,22/12=19,872 см4.

2. Определяем статические моменты S подкрановой балки 1, то есть при =0 из полюса О0 (см. табл. 2).

3. По формуле (1) определяем угол наклона стенки наклонной подкрановой балки

=arcsin[8181,625737,6/416,07]/[165,6
85,252+74,8155,352+262807,2-19,872-
-25737,62/416,07] = 17,54o.

Принимаем =17o.

В табл.2 приведены статические моменты элементов разработанного сечения в полярных координатах относительно полюса O0.

По ормуле (5) уточняем статический момент тормозной балки 2 при =17o.



По формуле (6) уточняем ширину горизонтального тормозного листа
bг=(SyT-0,5[Aвн(d+tвн)+Aгd])/[Aвн+0,5Aг];
bг=[7937,59-0,5(36(32,5+1,2)+60
32,5)]/[36+0,560]=96,3 см;
г=0,5(d+bг=0,5(32,5+96,3)=64,4 см.

При этой ширине горизонтального листа тормозная балка обеспечивает заданную величину статического момента SyT=7937,59. Отрезаем от горизонтального листа полосу шириной 100-96,3=3,7 см (t=0,4 см) и привариваем ее к листу снизу посередине ширины его в качестве продольного ребра жесткости. При этом площадь всего сечения остается неизменной (A=416,07 см2).

Уточняем расстояния до центров тяжести элементов тормозной балки
вн=0,5(d+tвн)+bг=0,5(32,5+1,2)+96,3=113,15 см.

5. Находим координаты центра тяжести сечения (фиг.1) всей наклонной конструкции
по горизонтали

X =[7937,59+25737,6 sin17o]/416,07=37,16 см;
по вертикали
Cy = Sxcos/A;
Сy=25737,6 cos17o/416,07=59,16 см.

6. Находим центробежный момент инерции относительно полюса 0
Jxy=0,5 (Астrст 2нrн 2+Jстmах-Jстmin)sin2;
Jxy=0,5(165,685,252+74,8155,352+
+262807,2-19,87)sin 217o=914697,4 см4
7. Находим главный центробежный момент сечения JXY относительно полюса О:
JXY=JxyxСy
JXY=914697-416,0737,163259,1557=0
Убедились, что наклонный двутавр запроектирован правильно.

8. Определяем собственные моменты инерции элементов сечения
- ее стенки, после поворота на 17o
Jстmах=0,5(JX+JY)+0,5(JX-JY)cos 2;
Jcтmах=0,5(262807,2+19,87)+0,5(262807,2-
-19,87)cos 217o=240344 см4;
Jcтmin=0,5(JX+JY)-0,5(JX-JY)cos 2;
Jстmin=0,5(262807,2+19,87)-0,5(262807,2-
-19,87)cos 217o=22483,3 см4;
- внешнего пояса (30 х1,2) тормозной балки
Jxвн=Aвнhвн 2/12=36302/12=2700 см4;
Jyвн=Aвнtвн 2/12=361,22/12=4,32 см4;
- горизонтального тормозного листа
J=600,62/12=1,8 см4;
J=6096,32/12=46368,5 см4.

Тогда сумма собственных моментов инерции всего сечения будет равна
Jхсоб=Jхв+Jхн+Jстmах+Jхвн+Jхг;
Jxсоб=10013,9+30,17+240344+2700+1,8=253090 см4;
Jyсоб=J+J+Jстmin+Jyвн+J;
Jycoб=10013,9+7205,73+22483,3+4,32+46368,5=86075,7 см4.

В табл. 3 приведены характеристики элементов разработанного сечения, а также полярные координаты центров тяжести элементов по отношению к полюсу O0 в центре трубы и собственные моменты инерции элементов.

9. По формулам вычисляем сначала моменты инерции всего сечения относительно осей x, y
Jx = Jx соб+(Aстr2ст+Aнr2н)cos2;
Jx=253090+(165,685,252+74,8155,352)cos217o=3004605,4 см4;
Jy = JY соб+Aг2г+Aвн2вн+(Aстr2ст+Aнr2н)sin2;
Jy= 86075,7+6064,42+36113,152+(165,685,252+74,8155,352)sin217o; Jy=1053010,1 см4.

10. Главные моменты инерции:
JX=Jx-ACy 2=3004605-416,0759,15572=1548607 см4;
JY=Jy-A2x=1053010,1-416,07*37,16322=4/8372,7 см4.

10. Проверяем нормальные напряжения при изгибе в вертикальной плоскости относительно главной оси Х (h=138 cos17o+2,2+32,5=166,67 см):
на верхнем краю сечения в точке А
вх/JX=3839000(59,1557+32,5/2)/
/1548607=186,93 МПа<230 МПа;
на нижнем краю сечения
нx =М(h-С-d/2)/JX=3839000(166,67-
-59,15-32,5/2)/1548607=226,2<230МПа;
ox =MCy/JX=383900059,1557/
/1548607=146,65 МПа;
напряжения при изгибе в горизонтальной плоскости в точке А
Ay = Mтx/JY=38390037,1632/
/478372,7=29,82 МПа;
напряжения при изгибе в горизонтальной плоскости в точке С
Cy =Mт(x+d/2)/Jy=383900(37,1632+
+32,5/2)/478372,7=42,86 МПа;
Проверка прочности при косом изгибе в точке С
cx+cy =146,647+42,86=189,51 МПа<R=230 МПа.

Проверка прочности при косом изгибе в точке А
вх+Ay =186,931+29,82=216,75 МПа<R=230 МПа.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления несимметричной подкрановой конструкции позволяет снизить материалоемкость ее на 22,2 %.

Экономический эффект от разработанного способа изготовления подкрановой конструкции достигает 20-25% и возникает из-за согласования плоскости действия изгибающего момента и плоскости, в которой момент инерции при изгибе.

Литература
1.СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия./Госстрой СССР М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987, 36 с.

2. СНиП II-23=81 *Стальные конструкции./Госстрой СССР М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988, 96 с.

3. Металлические конструкции./ Под ред. Н.П.Мельникова. М.: Стройиздат, 1980. - 776 с. (Справочник проектировщика.)
4. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов. Е.И.Беленя и др.: под общей ред. Е.И.Беленя. М.: Стройиздат, 1986. - 560 с.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Физматлит, 1956. - 856с.

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


Формула изобретения

Несимметричная в сечении металлическая подкрановая конструкция, содержащая подкрановую балку с трубчатым верхним поясом, соединенную с горизонтальной тормозной балкой, отличающаяся тем, что стенка подкрановой балки ориентирована по радиусу из центра трубы и наклонена под острым углом к вертикали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлическим конструкциям, преимущественно к подкрановым с тяжелым режимом работы кранов

Изобретение относится к подкрановым конструкциям преимущественно с интенсивным, непрерывным режимом работы кранов

Изобретение относится к металлическим конструкциям, преимущественно подкрановым, с тяжелым режимом работы кранов (7К-8К)

Изобретение относится к металлическим подкрановым конструкциям преимущественно черной и цветной металлургии с тяжелым интенсивным режимом работы кранов

Изобретение относится к подкрановым транспортным конструкциям с интенсивным тяжелым режимом работы кранов

Изобретение относится к реконструкции и строительству подкрановых транспортных сооружений преимущественно с интенсивным тяжелым режимом работы

Изобретение относится к транспортным конструкциям преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации, например к подкрановым балкам мостовых кранов

Изобретение относится к реконструкции подкрановых конструкций преимущественно с интенсивным непрерывным режимом эксплуатации, а также к железнодорожным конструкциям

Изобретение относится к подкрановым конструкциям с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации

Изобретение относится к рельсовым транспортным конструкциям, преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации

Изобретение относится к металлическим конструкциям, преимущественно к подкрановым с тяжелым режимом работы кранов

Изобретение относится к подкрановым конструкциям преимущественно с интенсивным, непрерывным режимом работы кранов

Изобретение относится к металлическим конструкциям, преимущественно подкрановым, с тяжелым режимом работы кранов (7К-8К)

Изобретение относится к металлическим подкрановым конструкциям преимущественно черной и цветной металлургии с тяжелым интенсивным режимом работы кранов

Изобретение относится к подкрановым транспортным конструкциям с интенсивным тяжелым режимом работы кранов

Изобретение относится к реконструкции и строительству подкрановых транспортных сооружений преимущественно с интенсивным тяжелым режимом работы

Изобретение относится к транспортным конструкциям преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации, например к подкрановым балкам мостовых кранов

Изобретение относится к реконструкции подкрановых конструкций преимущественно с интенсивным непрерывным режимом эксплуатации, а также к железнодорожным конструкциям

Изобретение относится к подкрановым конструкциям с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации

Изобретение относится к рельсовым транспортным конструкциям, преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации

Изобретение относится к подкрановым конструкциям, преимущественно с интенсивным тяжелым режимом работы мостовых кранов, например, в мартеновских и конверторных цехах

Изобретение относится к металлическим конструкциям черной и цветной металлургии и связано преимущественно с тяжелым режимом работы кранов

Наверх