Влияние концентраторов напряжений на работоспособность сварных конструкций весьма велико, это главный фактор, который существенным образом понижает прочность. Неравномерность распределения напряжений в деталях и сварных соединениях влияет на их несущую способность. В статье приводится результаты исследования НДС траверсы грузоподъемностью 280 тонн. Определен главный концентратор напряжений, который находится во внутренней полости в месте крепления диафрагмы к боковой стенке траверсы.
Ключевые слова: траверса, напряженно-деформированное состояние, концентратор напряжения.
Проектирование элементов подъемно-транспортного оборудования для литейного производства является ответственной задачей, так как металлургические цеха являются типом производства непрерывного действия. Грузоподъемная траверса литейного крана является неотъемлемым элементов в подъемно-транспортных процессах, с её помощью осуществляется подъем ковша с расплавленным металлом за счет блочной системы, расположенной на траверсе (нижние блоки) и на грузовой тележке (верхние блоки).
Исследование напряженно-деформированного состояния при проектировании конструкции позволяет с помощью компьютерного моделирования найти концентраторы напряжений проектируемой конструкции, дать практические рекомендации по обследованию металлоконструкций, определить долговечность, выполнить параметрический анализ для уменьшения массы и уменьшения металлоемкости.
Цель данной работы — исследование концентраторов напряжений на этапе проектирования траверсы на основе анализа напряженно-деформированного состояния.
Определение допустимых напряжений
Согласно системе национальных стандартов РФ элементы конструкций кранов грузоподъемных рассчитываются на прочность по следующим условиям: по предельным состояниям и по допускаемым напряжениям [1].
Допускаемое напряжение с учетом общего коэффициента запаса прочности, который состоит из коэффициента ответственности γn [2, табл. 10], надежности γf [2, табл. 4] и условий работы γc [1], при пределе текучести σТ =235 МПа стали Ст3сп5 ГОСТ 380–2005 [3] будет
[σ] = 
= 
= 130,55 МПа.
Если воспользоваться методикой расчетного определения предела выносливости узла на произвольной базе и при произвольном значении коэффициента асимметрии цикла, изложенной в [4], получим следующие значения расчета конструкции на сопротивление усталости: расчетное допустимое напряжение на базе N по кривой Веллера [σ] = 124,43 МПа, где N — общее число циклов работы траверсы за срок ее службы, принятый из расчета 365 дней в году, 8 лет [5] и 100 циклов в день согласно справке о характере работ. Данный расчет на усталостную прочность показал меньшие значения, чем по методу расчета по допускаемым напряжениям. Поэтому в дальнейшем анализе НДС траверсы будем сравнивать получаемые значения с расчетным пределом выносливости.
Проектирование траверсы иисследование ее напряженно-деформированного состояния
Конструкция разработанной траверсы литейного крана грузоподъемностью 280 тонн и ее составных узлов показана на рис. 1, расчет и анализ напряженно-деформированного состояния проводился с помощью классических формул строительной механики и вычислительного пакета «Ansys» [4,6].
Исследование напряженно-деформированного состояния траверсы проведено через анализ изменения напряжений по Мизесу и поиск концентрации напряжений.
Критерий максимального напряжения по Мизесу основывается на теории Мизез-Хенки (Mises-Hencky) [7]. Для главных напряжений σ1, σ2, σ3 из теории упругости напряжение по Мизесу выражается как [7]:
σvonMises = 
.
Пластичный материал начинает повреждаться в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению. В большинстве случаев, предел текучести используется в качестве предельного напряжения [7]: σvonMises ≤ σТ.
Рис. 1 — Эскиз грузовой траверсы
1 — траверса, 2 — крюк пластинчатый,
3 — ковш, 4 — блоки траверсы; 5 — уравнительные балансиры
На рис. 2 представлено изменение напряжений по Мизесу. Максимальное напряжение 96,56 МПа в конструкции находится во внутренней полости траверсы в месте крепления диафрагмы для задания жесткости конструкции к боковой стенке траверсы (рис. 3). При выполнении сварочных работ в данном месте конструкции необходимо предъявить повышенные требования к технологии сварки. В качестве рекомендаций по уменьшению концентрации напряжений и увеличении усталостной стойкости конструкции требуется подварка корня сварного шва, снятие наплыва механической обработкой и обеспечение плавного перехода от шва к основному металлу.
Рис. 2. Изменение напряжений по Мизесу
Рис. 3. Концентратор напряжения в конструкции
Выводы
Использование вычислительного пакета для анализа напряженно-деформированного состояния в процессе проектирования металлической конструкции траверсы литейного крана позволило определить концентратор напряжений конструкции. Были даны рекомендации по снижению концентрации напряжений в данном элементе разрабатываемой конструкции.
Работа выполнена в рамках магистерской диссертации по специальности 23.04.02 «Наземные транспортно-технологические комплекции», тема «Конструкторская разработка траверсы грузоподъемностью 280 тонн с исследованием напряженно-деформированного состояния траверсы».
Литература:
- ГОСТ 33169–2014. Краны грузоподъемные. Металлические конструкции. Подтверждение несущей способности.
- ГОСТ 32579.1–2013. Краны грузоподъемные. Принципы формирования расчетных нагрузок и комбинаций нагрузок. Часть 1. Общие положения.
- ГОСТ 535–2005 Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия.
- Строительная механика и металлические конструкции машин: учебник / С. А. Соколов. — СПб.: Политехника, 2011. — 450 с.: ил.
- ГОСТ 33715–2015 Краны грузоподъемные. Съемные грузозахватные приспособления и тара. Эксплуатация.
- Огородникова О. М. Компьютерный инженерный анализ в среде ANSYS Workbench [Электронный ресурс] // Екатеринбург: Техноцентр компьютерного инжиниринга УрФУ. 2018. 350 с. Режим доступа: https://cae.urfu.ru свободный.
- 2013 Справка по SOLIDWORKS — Критерий: максимальное напряжение по Мизесу [Электронный ресурс]. URL: https://help.solidworks.com/2013/Russian/SolidWorks/cworks/r_Maximum_von_Mises_Stress_Criterion.htm (дата обращения 04.05.2020).
