МАКАРОВ АНДРІЙ ВІТАЛІЙОВИЧ ДИНАМІЧНІ РОЗРАХУНКИ, ВИПРОБУВАННЯ ТА ДІАГНОСТИКА СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ ВЕЛИКОПРОГОНОВИХ МОСТОВИХ ПЕРЕВАНТАЖУВАЧІВ

Короткий опис

Министерство образования и науки Украины

Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры»

На правах рукописи

Макаров Андрей Витальевич

УДК 624.042

ДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ, ИСПЫТАНИЯ И ДИАГНОСТИКА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ МОСТОВЫХ ПЕРЕГРУЖАТЕЛЕЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель Кулябко Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор

Днепропетровск - 2015

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВИДОВ МОСТОВЫХ ПЕРЕГРУЖАТЕЛЕЙ, МЕТОДИК ИХ РАСЧЕТОВ, ОБСЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ 13

1.1. История создания и применения мостовых кранов- перегружателей 13

1.2. Проектные нормативные материалы 17

1.3. Научные исследования нагруженности мостовых кранов- перегружателей 23

1.4. Обзор методик проведения экспериментальных натурных исследований 31

1.5. Выводы по разделу 1 33

РАЗДЕЛ 2. АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ, ПОВРЕЖДЕНИЙ И АВАРИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ-ПЕРЕГРУЖАТЕЛЕЙ (ИЗ ОПЫТА НАТУР¬НОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ) 35

2.1. Классификация нагрузок 35

2.2. Основные виды повреждений металлоконструкций и аварий мостовых кранов-перегружателей 39

2.3. Оценка НДС конструкций крана при действии «условного статического» торможения тележки 47

2.4. Рекомендации по обследованию 50

2.5. Выводы по разделу 2 52

РАЗДЕЛ 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ КРАНОВ-ПЕРЕГРУЖАТЕ¬ЛЕЙ ПО РАЗВЕТВЛЁННЫМ МОДЕЛЯМ НА СОБСТВЕННЫЕ КО¬ЛЕБАНИЯ И ПОДВИЖНУЮ НАГРУЗКУ 54

3.1. Создание динамических разветвлённых моделей перегружателей и поверочные статические расчёты 54

3.2. Исследования собственных колебаний мостового крана- перегружателя решетчатой конструкции 60

3

3.2.1. Перегружатель с подвижно-шарнирным соединением моста и опоры 60

3.2.2. Перегружатель с жесткой конструкцией соединения опоры и моста 66

3.3. Особенности собственных колебаний мостового крана- перегружателя трубчато-балочной конструкции 68

3.4. Влияние различий коэффициента неупругого сопротивления в подсистемах на вынужденные колебания системы с нескольким степенями свободы 72

3.5. Анализ влияния вариантов усиления пролетного строения перегружателя трубчато-балочной конструкции на его частоты и формы его собственных колебаний 79

3.6. Теоретические исследования статико-динамического взаимодействия подвижной нагрузки тележки и конструкции моста крана во временной области (с применением дифференциальных уравнений) 81

3.6.1. Макет-аналог для упрощённых исследований основного тона вертикальных колебаний моста 83

3.6.2. Система с двумя степенями свободы (мост с тележкой).. 86

3.6.3. Моделирование динамического взаимодействия инерционного моста с инерционной движущейся тележкой ... 89

3.7. Выводы по разделу 3 93

РАЗДЕЛ 4. ИСЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИ¬СТИК КРАНА И ТЕЛЕЖКИ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ ДВИЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ 95

4.1. Методика проведения экспериментов 95

4.2. Натурные динамические испытания крана-перегружателя трубчато-балочной конструкции 98

4.3. Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований 104

4

4.3. Выводы по разделу 4 107

РАЗДЕЛ 5. СОЗДАНИЕ УПРОЩЕННЫХ (ИНЖЕНЕРНЫХ) ДИНА-МИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ПУТИ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ КРА¬НОВ-ПЕРЕГРУЖАТЕЛЕЙ 109

5.1. Рекомендации по составлению упрощённых моделей перегружателей 109

5.2. Рекомендации по устройству дополнительных мероприятий, направленных на снижение амплитуд колебаний кранов-

перегружателей 116

Выводы по разделу 5 127

РАЗДЕЛ 6. ДИНАМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА КРАНОВ И ЕЁ ИС-ПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ УСКОРЕННОГО ПОИСКА ПОВРЕЖДЕНИЙ, ПАСПОРТИЗАЦИИ И МОНИТОРИНГА 128

6.1. Рекомендации по проведению паспортизации сооружения 128

6.2. Методика составления «Атласа влияния повреждений на собственные частоты и формы» 132

6.3. Выводы по разделу 6 139

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 140

Список літератури

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

140

В диссертационной работе на основании проведенного комплексного анализа динамических характеристик пространственных несущих металлоконструкций мостовых перегружателей получены новые решения важной народно-хозяйственной и научно-практической задачи проектирования и эксплуатации крупных (до 1000 т), эксплуатируемых в тяжёлых условиях (срок службы 12-15 лет) при почти непрерывных режимах работы, весьма дорогостоящих кранов-перегружателей. Методики расчетов, испытаний и диагностики основаны на развитии динамических расчётных моделей крана, на связи частот и форм собственных колебаний крана с его возможными повреждениями, на систематизации динамических натурных испытаний, а также предложений по динамической диагностике и паспортизации сооружения.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Составленная классификация кранов-перегружателей, нагрузок, особенностей эксплуатации, а также анализ аварий, методик расчетов, обследований и испытаний позволили выделить важность динамических (в т.ч. подвижных) нагрузок эксплуатационного технологического цикла, оказывающего существенное влияние на техническое состояние стальных конструкций. Проведенный анализ собственных и вынужденных колебаний пространственной модели крана привёл к новым возможностям прогнозирования повреждений, что было подтверждено фактом наличия соответствующих поврежденных участков конструкций, обнаруженных при натурных обследованиях.

2. Исследования статической и динамической нагруженности и модальный анализ при помощи программного комплекса «Selena» сложной многомассовой пространственной стержневой модели двух кранов (решётчатого и трубчато-балочного типов) численным методом (МКЭ) показали, что конструкция этих двух кранов и положение грейферной

141

тележки не влияют на тип низшей продольно-горизонтальной формы собственных колебаний с частотой около 0,6 Гц. Во второй форме проявляются поперечно-горизонтальные колебания из плоскости крана: для решётчатого крана при этом преобладает изгиб моста (0,85 Гц), для трубчато¬балочного крана - изгиб опоры (0,77 Гц). В третьей форме наблюдаются поперечно-горизонтальные колебания из плоскости крана: для решётчатого крана - колебания консолей (1,7 Гц), трубчато-балочного- изгиб моста (1,26 Гц). И лишь четвертое место с более высокочастотным процессом занял изгиб моста в вертикальной плоскости крана на частоте 1,97 Гц для решётчатого и 1,61 Гц для трубчато-балочного (большинство исследователей перегружателей ранее считали эту форму как бы единственной достойной внимания). Частота собственных колебаний 2, 3 и 4 форм существенно зависит от места расположения грейферной тележки на мосту крана (частота собственных колебаний крана при установке тележки над опорой увеличивается приблизительно на 20%).

Для наглядности распределения и удобства анализа долей статических и динамических параметров стальной конструкции трубчато-балочного крана был применён метод построения эпюр динамических коэффициентов (по перемещениям при разных резонансных формах).

3. Предложена модель моста крана для расчета во временной области на подвижную нагрузку с учётом статико-динамического взаимодействия инерционных конструкций и моста перегружателя, и тележки. Разработана методика расчета с использованием системы компьютерной алгебры «Maple» при решении дифференциальных уравнений совместных колебаний моста и движущейся тележки. Исследовано время затухания процесса, статический и динамический прогибы. Учтено изменение мгновенной частоты собственных колебаний совместной системы (при рабочих скоростях до 15 км/ч расположение тележки изменяет частоту некоторых форм до 20%).

4. Проведены экспериментальные натурные исследования влияния режимов движения перегружателя и тележки на динамические

142

характеристики металлоконструкций. Обработаны многочисленные виброграммы, различие теоретически определённых частот собственных колебаний крана по четырем низшим формам и соответствующих результатов эксперимента по свободным колебаниям не превышает 10%. Логарифмический декремент колебаний моста крана оказался разным для каждой формы собственных колебаний и находится для четырех низших форм в пределах 0,043-0,068 (этот факт при расчетах при помощи МКЭ обычно не учитывается, что приводит к ошибке при анализе вынужденных колебаний). Наибольшее время уменьшения амплитуд свободных колебаний в 20 раз (в момент установки тележки в середине пролета) при горизонтально-продольной форме составляет 62 секунды, а при вертикальных колебаниях - 46 секунд. Повышенная длительность процесса затухающих колебаний вредна для стальных конструкций (узлов с концентратами напряжений), приборов, оборудования и машиниста.

5. Известно, что по методу динамического формообразования оценки параметров собственных колебаний на предпроектной стадии ускоряют процесс (без выполнения полных расчетов на все сочетания нагрузок). Предложена методика составления инженерных (упрощённых) динамических моделей перегружателя для расчетов собственных и вынужденных колебаний (для перехода от пространственной многомассовой модели перегружателя к системам, имеющим от 1 до 6 степеней свободы). Это позволяет конструктору, например, добавлять в подсистемы фрикционные элементы, а расчетчику - учесть реальное (из экспериментов) внешнее нелинейное трение, различное в каждой подсистеме. Такие модели удобны при расчетах и конструировании демпфирующих устройств, снижающих амплитуды колебаний вибрационных циклов крана.

При низшей из форм колебаний наиболее нагружены элементы в местах сопряжения трубы пролетного строения и опоры, эквивалентные циклические напряжения достигают амплитуд 16 МПа. Этим колебаниям соответствует амплитуда перемещения 15 мм на частоте порядка 0,65 Гц

143

л

(ускорения при этом достигают уровня 0,3 м/с , - дискомфортного для длительного пребывания машиниста). Была разработана схема

демпфирования этих колебаний и получен патент № 99209 на полезную модель с устройством преобразования движения.

6. Показано, как при помощи метода динамической диагностики, как варианта неразрушающего метода контроля, можно существенно улучшать эффективность натурного обследования с выявлением параметров НДС, близких к аварийным. Разработана форма динамического паспорта. Для трубчато-балочного крана паспорт содержит результаты натурных

испытаний и расчётов. Теоретическая часть паспорта позволяет оценить, какие собственные формы колебаний ожидать в эксплуатируемом кране, а экспериментальная часть текущего паспорта помогает вести динамический мониторинг технического состояния его металлоконструкций и

предотвращать аварии.

7. Разработана методика построения «Атласа влияния повреждений на собственные частоты и формы» путём условного выключения определенного элемента из работы (на примере решётчатого крана). Это позволяет провести поиск мест некоторых опасных силовых конструкционных повреждений несущих элементов и сократить время на проведение обследования.

8. Научные и практические положения, изложенные в диссертации, могут быть использованы проектными организациями, службами эксплуатации мостовых перегружателей, а также при разработке нормативно¬технической документации. Результаты исследований приняты в проектную практику ООО «Проектный институт «Днепрпроектстальконструкция», ПАО «Днепровский металлургический комбинат им. Ф.Э.Дзержинского», а также внедрены в учебный процесс ГВУЗ «ПГ АСиА» (приложение А).