Одна из актуальных проблем по увеличению выносливости и долговечности подкрановых балок, является разработка устройств уменьшающим максимумы локальных напряжений 
, приводящих к появлению усталостных трещин в подрельсовой зоне подкрановой балки.
В настоящей статье предлагается способ модернизации стандартного рельса для повышению выносливости и ресурса подкрановых балок.
В 30-х годах прошлого века в строительных конструкциях, происходило массовое внедрение сварных соединений без оценки ресурса соединений. В настоящее время ресурс соединений легко оценить, используя исследования М. М. Гохберга. В справочнике по кранам [1] приведены расчётные эффективные коэффициенты концентрации напряжений Кэф.
Чем больше этот коэффициент — тем ниже ресурс соединения. Для клёпаного соединения Кэф=1,6,Для сварного соединения Кэф=4,0 [1]. Оценим уменьшение ресурса 4,0/1,6 = 2,5. Ресурс сварного соединения ниже в два с половиной раза.
Следовательно, при массовом внедрении сварки и замене клёпаных подкрановых балок сварными подкрановыми балками в З0-х годах XX века, была допущена техническая ошибка — высокоресурсные клёпаные соединения в подкрановых балках были заменены низкоресурсными сварными соединениями.
Поэтому в цехах чёрной и цветной металлургии с тяжёлым интенсивным режимом работы кранов (8К...7К) ресурс подрельсовых зон подкрановых балок недостаточен, балки недолговечны и быстро выходят из строя из-за возникновения и развития усталостных трещин. Данная проблема рассмотрена в работах [2], [3], [4].
Замена подкрановых балок приводит к вынужденной остановке цеха, что нарушает непрерывный технологический процесс выплавки стали и приносит большие убытки.
В настоящее время была разработана металлическая подкрановая балка, профессором К. К. Неждановым с аспирантами, патент RU № 2095527 [5]. В этом техническом решении верхний пояс выполнен гнутым, симметричным U—образным. Верхний пояс содержит отбортованные горизонтальные краевые участки, переходящие по кривой в участки, наклонные к краевым участкам. Элементы соединены друг с другом криволинейным участком по линии симметрии балки. Рельс снабжен U-образным амортизатором, размещённым в U-образном верхнем поясе, взаимодействующим и соединённым верхними краями с подошвой рельса.
Подошва рельса западает в U-образный пояс на 0,5–0,75 его высоты и взаимодействует с ним боковыми кромками, а шейка рельса соединена фрикционными болтами посредством U-образных симметричных относительно неё накладок. Выемка в верхнем поясе заполнена низкомодульным материалом, гасящим динамику воздействий колёс кранов. В качестве низкомодульного материала используется чугунная дробь.
Недостаток описанного выше — возможность истирания чугунной дроби и её перемещения в выемке верхнего пояса. Однако следует отметить, базальт имеет свойства близкие к чугуну. Модуль упругости у базальта более чем в два раза ниже, чем у стали, что составляет 40...48 % [7], Поэтому базальт следует использовать как амортизатор, гасящий динамику воздействий колёс кранов.
Кроме того, базальт отлично сопротивляется коррозии, а на смятие работает не хуже малоуглеродистой стали [6]. К тому же, технология изготовления литья из базальта отработана и совершенна. Следует отметить, что верхний пояс подкрановой балки при её изгибе находится в сжатой зоне, а расчётное сопротивление базальта при сжатии такое же как у малоуглеродистой стали [6].
Динамика же воздействий колёс мостовых кранов в цехах чёрной и цветной металлургии с тяжёлым интенсивным режимом работы кранов (8К...7К) достигает максимальной величины КДИН= 1,6 [1].
Стоит отметить, что авторами уже были разработаны ряд устройств и способов для уменьшения воздействия динамики колёс, создание различных специальный устройств для возникновения амортизирующего эффекта [8], [9], [10], [11].
Ликвидация возможности возникновения усталостных трещин в подрельсовой зоне стенки подкрановой балки, повышение её выносливости и повышение технологичности изготовления подкрановой балки можно достигнуть повышением моментов инерции и моментов сопротивления стандартного рельса, и снабжение его амортизирующими свойствами.
Способ заключается в том, что крановый рельс снабжают подрельсовой подкладкой, например, из швеллера, ориентируют швеллер полками вверх, по шаблону на поточной линии в проектных точках групповым способом продавливают отверстия в стенке швеллера и развёртывают их на проектный диаметр.
Изготавливают трубчатые втулки такой же высоты, как полка швеллера и образуют фаску на нижнем конце каждой втулки, соответствующую диаметру отверстия, прикрепляют к каждой втулке упор для фиксации рельса, впрессовывают втулки в отверстия, ориентируя упоры вовнутрь к рельсу, и затыкают отверстия во втулках.
Монтируют сверху упомянутый рельс, опирая его подошву на упоры втулок, выполняют преграды по торцам подрельсовой подкладки, заливают в подрельсовую подкладку жидкий базальт и после кристаллизации базальт получают единый сталебазальтовый амортизирующий рельс, вплавленный в базальт.
Механизировано фрезеруют торцы сталебазальтового амортизирующего рельса, по шаблону прочищают, развёртывают и калибруют отверстия во втулках вплавленных в сталебазальтовый амортизирующий рельс и отправляют готовые амортизирующие рельсы для монтажа на под-крановых балках.
Сталебазальтовый амортизирующий рельс содержит стандартный (крановый или железнодорожный) рельс.Рельс снабжают подрельсовой подкладкой, из швеллера, ориентируют швеллер полками вверх. По шаблону на поточной линии в проектных точках групповым способом продавливают отверстия в стенке швеллера (подрельсовой подкладки) и развёртывают их на проектный диаметр.
Изготавливают трубчатые втулки такой же высоты, как полка швеллера и образуют фаску на нижнем конце каждой втулки, соответствующую диаметру отверстия, прикрепляют к каждой втулке упор для фиксации рельса по продольной оси соостно со швеллером.
Впрессовывают втулки в отверстия, ориентируя упоры фиксатора вовнутрь к рельсу, и затыкают отверстия в трубчатых втулках. Монтируют сверху упомянутый рельс точно в проектное положение соосно со швеллером, опирая его подошву на упоры втулок, выполняют преграды (не показано), по торцам подрельсовой подкладки, ориентированной стенкой горизонтально и заливают в подрельсовую подкладку жидкий базальт.
После кристаллизации базальта получают единый сталебазальтовый амортизирующий рельс, вплавленный в базальт. Механизировано фрезеруют торцы сталебазальтового амортизирующего рельса, по шаблону прочищают, развёртывают и калибруют отверстия во втулках в сталеба-зальтовом амортизирующем рельсе и отправляют готовые рельсы для монтажа на подкрановых балках 6.
Конструкция составного, амортизирующего сталебазальтового рельса является единым целым. Моменты инерции его при изгибе Jх и кручении Jкр определяются как составного сечения. Их величина повышается по сравнению со стандартным рельсом в несколько раз!
Слой базальта фиксирует рельс, амортизирует и уменьшает локальные воздействия вертикальных сил Р, горизонтальных сил Т, и крутящих моментов Мкр. от катящихся колёс кранов. Рельс надёжно зафиксирован в поперечном направлении без эксцентриситета и монтируется как единое целое вместе с подкрановой балкой безвыверочным способом. Рихтовку рельсовых путей осуществляют на уступах колонн механизировано.
Локальные воздействия вертикальных сил Р, горизонтальных сил Т, и крутящих моментов Мкр. от катящихся колёс кранов распределяются ста-лебазальтовым амортизирующим рельсом на значительную длину подкрановых балок. Локальные напряжения [7] также распределены на большую длину подкрановых балок и за счёт этого экстремумы локальных напряжений снижены в два и более раз. Данный слой амортизирует и гасит динамику воздействий колёс кранов. Более тяжёлый рельс 1 может быть заменен более лёгким и получена соответствующая экономия материала.
Сопоставление показывает, что способ повышения моментов инерции и моментов сопротивления стандартного рельса, и снабжение его амортизирующими свойствами достигнут.
Эффект возникает в следствии:
1. Рельс вплавлен в амортизирующий слой базальта и объединён с ним в единый монолитный сталебазальтовый амортизирующий рельс.
2. Рельс надёжно зафиксирован в амортизирующем слое базальта, как в поперечном, так и в вертикальном направлениях.
3. Амортизирующий слой, сплавленный с подошвой рельса увеличивает моменты инерции рельса при изгибе Jx и кручении Jкр в несколько раз и распределяет локальные воздействия на большую длину подкрановых балок.
4. Рельс установлен без эксцентриситета, что значительно уменьшает локальный крутящий момент Мкр. и соответственно повышается выносливость подрельсовой зоны.
5. Предложенная конструкция разрабатывалась исходя из принципа равновыносливости, поэтому соединения технологичны, быстроразъёмны и выполнены высокоресурсными шпильками или болтами, удобными при монтаже (легированные болты из стали «40Х Селект» с термообработкой). Такие соединения обеспечивают минимальную концентрацию напряжений [1].
6. Технологический процесс изготовления монолитного сталебазальтного амортизирующего рельса автоматизирован. Его осуществляют на поточной линии. Трудоёмкость изготовления значительно снижена.
Таким образом, использование способа позволит качественно изменить сопротивляемость подрельсовой зоны стенки подкрановой балки циклическим воздействиям колёс кранов, переводя её работу из области ограниченной в область так называемой «неограниченной выносливости».
В настоящее время на описанное в статье устройство подана заявка на изобретение.
Литература:
1. Справочник по кранам. Т.1 / Под ред. М. М. Гохберга. — М.:Машиностроение, 1988, — 536 с.
2. Кузьмишкин А. А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Выносливость металлических подкрановых конструкций при тяжелом режиме циклических нагружений. — Пенза, 2006. — 187с.
3. Кузьмишкин А. А., Гарькин И. Н., Лепёхина О. С. Снижение динамических воздействий на подкрановые балки изменением конструкции мостовых кранов// Московское научное обозрение № 4(Апрель) 2012,С.8–11.
4. Кузьмишкин А.А, Гарькин И. Н. Узел упругого соединения трехглавого рельса с подкрановой балкой// Московское научное обозрение № 4 (Апрель) 2012,С.12–14
5. Нежданов К. К., Нежданов А. К. Металлическая подкрановая конструкция. Патент России № 2095527. Бюл. № 31 зарег. 10.11.1997.
6. Стальные конструкции [Текст]: СНиП П-23–81*. — М., 1988–96 с.
7. Нежданов К. К. Снижение локальных напряжений в подкрановой балке гофрированием стенки II Строительная механика и расчёт сооружений. — 1989-N4-C.9–11.
8. Нежданов К. К., Кузьмишкин А. А., Гарькин И. Н. Подкрановые балки: перспективные разработки// Инновационные технологии в производстве, науке и образовании. сб. трудов II-ой междунар. науч.-практ. конф. Часть 2.- Махачкала,2012 С.274–281
9. Нежданов К. К., Кузьмишкин А. А., Гарькин И.Н Применение толстостенныхдвутавровых крановых рельсов //Региональная архитектура и строительства, № 3 (14), 2012. С.79–85
10. Гарькин И. Н. Повышение долговечности и эксплуатационных свойств подкрановых балок// Всеросс. конк.науч.-исслед. работ студентов и аспирантов в области технических наук: мат. работ победителей и лауреатов конкурса.-СПб.:Изд.-во Политех.ун-та,2012.-394 с.С.149–150
11. Гарькина И. А., Данилов А. М., Гарькин И. Н. Защита от удара и сопровождающей вибрации: экспоненциально-тригонометрическая аппроксимация функций// Региональная архитектура и строительства, № 3 (14), 2012. С.85–89
