автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Несущая способность и усталостная долговечность ферменных металлических конструкций башенных кранов-лесопогрузчиков КБ-572 с учетом эксплуатационных дефектов

Парфенов Николай Сергеевич

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И УСТАЛОСТНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ФЕРМЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ БАШЕННЫХ КРАНОВ-ЛЕСОПОГРУЗЧИКОВ КБ-572 С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ

Специальность 05. 05. 04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 О ОЕЗ Ш

Брянск - 2012

005010170

Диссертация выполнена на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лагерев Александр Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тихомиров Виктор Петрович

кандидат технических наук Ивченко Валерий Никитич

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула).

Защита состоится 06 марта 2012 года в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 при ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, д. 7, учебный корпус № 2, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «02» февраля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Краны-лесопогрузчики типа КБ-572 обеспечивают непрерывное функционирование лесообрабатывающих и лесоперерабатывающих предприятий, складов древесного сырья, перегрузочных баз. В организациях различных форм собственности на всей территории России эксплуатируется около 1,5 тысяч кранов данного типа. Наблюдается высокая аварийность кранов-лесопогрузчиков КБ-572 и его модификаций, которая обуславливается рядом причин. Одной из основных является наличие в несущих металлических конструкциях эксплуатационных дефектов, снижающих их несущую способность. Появление дефектов вызывается действием эксплуатационных факторов, окружающей среды, нарушением правил эксплуатации, низким качеством ремонтных работ. Находящийся в настоящее время в эксплуатации парк башенных кранов типа КБ-572 более чем на 70% состоит из машин, отработавших нормативный срок службы и содержащих в своих металлоконструкциях те или иные дефекты. При эксплуатации грузоподъемных машин с дефектами несущих металлоконструкций повышается вероятность наступления предельного состояния по различным критериям несущей способности и, следовательно, вероятность возникновения аварийной ситуации. Остановка работы крана влечет за собой негативные последствия: прекращение деятельности эксплуатирующей организации и экономический ущерб.

Изложенная технико-экономическая проблема требует решения задачи оценки безопасности эксплуатации ферменных металлоконструкций башенных кранов КБ-572 и его модификаций на этапе сверхнормативной эксплуатации. Ее решение связано с оценкой несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций под действием эксплуатационных нагрузок с учетом имеющихся в них отклонений, дефектов и повреждений. Оценка несущей способности и остаточного ресурса должна проводиться с использованием расчетных методик, использование которых позволяет прогнозировать величину остаточного ресурса ферменных металлических конструкций с учетом их фактического состояния и уровня дефектности.

Целью работы является повышение надежности и безопасности эксплуатации несущих ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций за счет использования при оценке их несущей способности и остаточного ресурса расчетных .методик, позволяющих учесть влияние характерных эксплуатационных и технологических дефектов.

Научная новизна работы.

1. Получены эмпирические зависимости для оценки параметров концентрации и распределения напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии.

2. Разработаны математические модели несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных крапов типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов, к которым относятся: язвенная коррозия, сплошная коррозия, эксцентриситет, отклонение от прямолинейности оси стержня, вмятина, обрыв стержня, тре-

щиноподобный дефект, дефекты сварных соединений (непровар, подрез, дефект формы шва).

Научные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Эмпирические зависимости для оценки теоретических коэффициентов концентрации напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии при действии различных видов нагружения: осевой силы, изгибающего момента, крутящего момента.

2. Эмпирические зависимости для оценки параметров распределения напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии при действии осевой силы.

3. Математические модели несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификаций с учетом дефектов.

Практическая значимость результатов работы.

1. Обоснованы предельно допустимые размеры дефектов язвенной коррозии и вмятины в стержнях ферменных металлоконструкций башенных кранов с учетом влияния отказа дефектного элемента на надежность всей конструкции.

2. Разработана расчетная методика оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов.

3. Разработан программный комплекс «Кгал-572», реализующий расчетные методики оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов.

Программный комплекс «Кгап-572» используется ООО «Промбезопас-ность» (г. Брянск) при экспертизе промышленной безопасности башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификации, башенных кранов КБ-674 и КБ-408, имеющих схожую конструкцию, а также внесен в качестве объекта интеллектуальной собственности в уставной капитал малого инновационного предприятия при Брянском государственном техническом университете ООО «Пром-безопасность-БГТУ».

Обоснованность и достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректным использованием апробированных методов теории прочности, усталостной долговечности, метода перемещений в матричной формулировке. Достоверность программы оценки несущей способности и усталостной долговечности установлена проверкой в реальных условиях при проведении экспертных обследований лесопогрузчиков КБ-572, проведенных ООО «Промбезопасность» (г. Брянск), а также подтверждена имеющимися сведениями об опыте эксплуатации кранов данного типа.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях», Брянск, 2009 г.; Ежегод-

ной XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов, Москва, 2009 г.; Региональной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области», Брянск, 2009; VIII Международной заочной научно-практической конференции «Современные вопросы науки - XXI век», г. Тамбов, 2011 г.; III международной научнопрактической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», г. Брянск, 2011 г. Работа отмечена дипломом 2-ой степени на региональной научной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области»; почетной грамотой победителя программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса»; почетной грамотой за активное участие в молодежном научноинновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.», проходившем в рамках Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, 4 из них в реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса - программного комплекса «Кгап-572». Отдельные результаты исследований вошли в отчет по НИОКР №7474р/10214 -«Разработка программного комплекса по оценке несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлических конструкций башенных кранов с учетом эксплуатационных дефектов» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» (Брянск, 2009-2010 гг).

В полном объеме диссертация доложена на расширенном заседании кафедры «ПТМ и О» ФГБОУ ВПО «БГТУ» (Брянск, 2011 г).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованных источников из 148 наименований и приложений. Объем работы с приложениями - 165 с. Диссертация содержит 65 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена цель, научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы представлен обзор конструктивных исполнений металлических ферм башенных кранов типа КБ-572. Представлены наиболее распространенны виды дефектов ферменных металлических конструкций башенных кранов (БК) и их статистическое распределение. Рассмотрены фундаментальные работы в области прочности и надежности металлических конструкций В.В. Болотина, В.П. Когаева, Дж. Коллинза, а также современные подходы в оценке ресурса технических систем с учетом дефектов А.Ф. Бермана, Г.М. Волохова, Э.Б. Грунау.

Сделан вывод, что решение проблемы повышения надежности лесопогрузчиков КБ-572 на стадии сверхнормативной эксплуатации возможно за счет разработки математических моделей прочности и долговечности их несущих фермен-

ных металлоконструкций, учитывающих наличие эксплуатационных дефектов. Наименее изученными в настоящий момент являются дефекты вмятины и язвенной коррозии в стержнях. При рассмотрении вопроса о создании математической модели прочности ферменных металлоконструкций с учетом различных отклонений и дефектов, сделан вывод о необходимости применения численных методов для составления и расчета статически неопределимых пространственных стержневых систем. Математическая модель усталостной прочности ферменных металлоконструкций лесопогрузчиков КБ-572 должна основываться на законах многоцикловой усталостной прочности. На основе анализа эксплуатационного нагружения лесопогрузчиков данного типа сделан вывод, что в условиях нестационарного случайного нагружения, преимуществами обладают методы, основанные на линейном законе суммирования усталостных повреждений Пальмгрена-Майнера.

Вторая глава посвящена исследованию несущей способности стержней ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии, а также разработке математических моделей несущей способности и остаточного ресурса.

Дефекты вмятины и язвенной коррозии являются локальными концентраторами напряжений сложной формы и влияют на статическую и циклическую прочность стержней ферменных металлических конструкций. Для уточнения передела выносливости а.|д стержней с концентраторами напряжений данного вида применение критериального подхода статистической теории прочности нецелесообразно.

Рис. 1. Распределение напряжений Причиной этого является отсутст-

в области вмятины при действии вж в наиболее опасном сечении

осевой силы N детали четко выраженной части пе-

риметра, соответствующей области

максимальных напряжений (рис. 1).

Для вычисления передела выносливости и построения функции распределения предела выносливости использовалось выражение

Р = \-е‘, (1)

где Р - заданная вероятность усталостного разрушения детали; / - величина, определяемая выражением

ЛП-и)'"

1 = Г 1 ; 1 (IV, (2)

ГГ

где А(У) - безразмерная функция, характеризующая распределение напряжений в объеме участка стержня с дефектом; атах - максимальные первые главные напряжения в области концентрации; и, т, ст0 - известные характеристики закона распределения Вейбулла.

Функция Г(У) в выражении (2) в диапазоне напряжений от номинального значения первых главных напряжений аНОм ДО максимального значения атах аппроксимировалась степенной зависимостью вида

/(У) = ЬУ", (3)

После подстановки зависимости (3) в (2) получено выражение

£

,4,

А #0

Таким образом, на основании (1) и (4) с учетом известных характеристик материала стержня и, а0 и гп, параметров Ь и п функции (3), а также коэффициента концентрации первых главных напряжений в области дефекта аоМЬ можно определить распределение предела выносливости стержня.

Для оценки статической прочности стержней с дефектами вмятины и язвенной коррозии введены теоретические коэффициенты концентрации напряжений при действии осевых сил аам, изгибающего момента в плоскости расположения дефекта асм и крутящего момента аоМкР-

Для построения зависимостей коэффициентов ао№ ааМ, аоМкр, Ь, п и а0ш от соотношений геометрических размеров дефектов были проведены экспериментальные исследования с применением конечно-элементного (КЭ) моделирования. При проведении исследований использовались математические методы планирования и обработки результатов факторных экспериментов.

Исследования прочности стержней с дефектом вмятины и сечением из круглой трубы проводились с использованием факторного эксперимента.

Факторами эксперимента являлись:

3с1 - глубина вмятины в долях от диаметра стержня g/D;

х2 - величина (рис. 2); л3 — отношение внутреннего радиуса тора к глубине вмятины 11вм/£ (рис. 2);

х4 - величина ЯкрЛ, отношение радиуса закругления на кромках вмятины Ккр к толщине стенки стержня I (рис. 2);

ж5 - толщина стенки стержня в долях от диаметра стержня \Ю.

В ходе эксперимента были построены линейные и квадратичные уравнения регрессии, показывающие зависимость откликов от нормированных значений факторов хь х2, х3, х4 и х5. Проведена проверка значимости коэффициентов, удалены незначащие коэффициенты и проверена адекватность моделей. Поведение откликов а0мъ ао№ «ам, ОоМч» Ь и п наиболее точно характеризуется следующими уравнениями регрессии:

I

Рис. 2. Сечение стержня из тонкостенной круглой трубы с дефектом вмятины

- ааШ = 2,628 + 0,22х, - 0,144х2 + 0,119х, - 0,177х4 - 0,072х3 -

-0,095х2х3 -0,134х2х4 + 0,082х2х5 - 0,136х3х5 -0,136х,х2х4 + (5) + 0,082х,х3х4 -0,134х,х3х3 -0,095х,х4х3 +0,18(х22 -0,77);

- ааЫ = 2,416 + 0,23 7х, - 0,153х2 + 0,15х3 - 0,143х4 -

- 0,099х, - 0,073х2х, - 0.081х7х4 + 0,09х,х, -

5 2 3 2 4 > 2 5 (6)

- 0,13х3х5- 0,08х4х5- 0,08х1х2х3 - 0ДЗх,х2х4 +

0,09х,х3х4 - 0,081х,х3х3 - 0,073х,х4х,+ 0,123(х2 - 0,77);

- аш = 1,987х0+ОЛ 14х, -0,152х2 + 0,125х3 -

-0,1 19х4 -0,131х5+ 0,066х2х5 -0,089х3х, - (7)

- 0, 089х,х2х4 +0,066х,х3х4;

- аШкр = 1,630+0,223х,+0,055х3 -0Д8х4 -0,614х5 -

-0,076х,х5 -0,063х2х3 + 0,066х4х3+0,066х,х2х^ -0,063х,х4х3 - (8)

-0,076х2х3х4 -0,076х3х4х, + 0,088(х2-0,77)+0,105(х2-0,77);

- Ь = 0,374 - 0,022^ + 0,04х2 - 0,01 Зх3 - 0,019х5 + 0,022х,х3 -

— 0,017х]х5 + 0,015х2х3 -0,016х2х5 + 0,016х4х3 + 0,016х,х2хз -

-0,016х,х3х4 + 0,015х,х4х3 -0,017х2х3х4 +0,022х2х4х5 - (9)

- -0,017х3х4х3 - 0,03 (х2 - 0,77) - 0,03 7(х2 - 0,77) -

- 0,036(х2 - 0,77) - 0,03 8(х4 - 0,77) + 0,066(х52 - 0,77);

- п = -0,113 - 0,016х, +0,01 7х2 - 0,008х3 - 0,011х4 + 0,007х,х2 +

+ 0,007х,х3 - 0,006х,х3 - 0,007х2х4 - 0,007х,х3х3 - 0,006х2х3х4 + (10) + 0,007х2х4х3 - 0,006х3х4х3.

В уравнениях (5)-(10) для перехода от натуральных значений факторов х,, х2, х5, х4, х3 к нормированным х[,х2,х3,х4,х5, необходимо использовать зависимости:

х, = 20х, - 4; х2 = х2 - 4,5; х3 = 0,667х3 - 2; х4 = 2, 5х4 - 3; х5 = 33,333х5 - 3.

При изучении параметров распределения и концентрации первых главных напряжений в стержнях с некруглым замкнутым сечением при действии различных видов нагружения, были проведены два эксперимента: первый - с моделью пластины ограниченной ширины при действии осевой силы, второй - с моделью стержня замкнутого сечения при действии изгибающего и крутящего моментов. В первом эксперименте вмятина моделировалась углублением в центре пластины (рис. 3). Был проведен дробный фак-

Рис. 3. Дефект вмятины на плоской фани

торный эксперимент (ДФЭ), являющийся полурепликой от полного факторного эксперимента (ПФЭ). Число факторов к=5. План ДФЭ составлен на основе генерирующего соотношения *5 = х,х2х3х4. Натуральными значениями факторов являются:

х, - отношение глубины вмятины к ее ширине %/Р\ хг - отношение длины вмятины к ее глубине Ь/§; х3 - отношение ширины вмятины к ширине пластины Р/В; х4 - величина ЯкрЛ, отношение радиуса закругления на кромках вмятины Ккр к толщине пластины I;

х3 - отношение толщины стенки к ширине пластины Ш.

Поведение откликов. а0>4ь аа№ Ь и п наиболее точно характеризуется следующими уравнениями регрессии:

В уравнениях (!!)-(14) для перехода от натуральных значений факторов

При исследовании концентрации напряжений в области дефекта вмятины при действии изгибающего и крутящего моментов рассматривалась модель стержня, имеющего сечение из квадратной трубы. Был составлен план ДФЭ, являющийся полурепликой от ПФЭ. Число факторов к=5. План ДФЭ составлен на основе генерирующего соотношения х3 = х,х2.х3х4. В качестве откликов модели рассматривались параметры аоМ и ааМкр- Величины откликов ааМ и ааМкр наиболее точно описываются следующими уравнениями регрессии:

- ссат =2,873 - 0,235.x, -0,241х2 + 0,451х3 -0,083х3 +

(П)

- ааЫ =2,659-0,189х1 -0,216х2 +0,476х3 -0,094х, + 0,074х,х2 +

(12)

- Ь = 0,296 + 0,019х2 - 0,067х3 + 0,018х3 + 0,01 Зх^ -

-0,009х,х4 -0,009х,х5 -0,016х3х4 -0,010ХзХ3 +0,011х4х3 +

+ 0,01 Іх^хз - 0,010х,х2х4 - 0,016х,х2х5 - 0,010х2х3х4 -

- 0,010х2х3х3 + 0,013х2х4х5 - 0,010х3х4х5 + 0,014(х32 - 0,77) + + 0,015(х4 - 0,77) - 0,016(х32 - 0,77);

(13)

- п = -0,136 - 0,011х, - 0,037х3 - 0,005х4 + 0,005х4х3 + + 0,005х,х2х3 + 0,009(х4-0,77).

(14)

х,,х2,іс3, іс4,х5 к нормированным х|; х2, х3, х4, х5, необходимо использовать зави-

симости:

х, = Юх, - 3; х2 = х2 -4,5; х3 = 6,667л3 - 2,667; х4 = 2,5х4 -3; х3 = 50х3 -3,5.

(15)

аш = 2,095 +0,160х,-0,401х4 -0,172х3 -

- 0,077х,х3 - 0,077х2х4х5;

кпМгр = 2,680 - 0,089х2 - 0,070х3 - 0,416х4 -

- 0,160х,х2х3х4 - 0,087х,х3 + 0,084х2х4 + (17)

+ 0,077х2х5 + 0,143х4х5 + 0,143х,х2х3 +

+ 0,077х,хзх4+0,084х1х3х5 -0,087х2х4х5

При использовании зависимостей (16) и (17) необходимо преобразование .натуральных значений факторов х,,х2,х3,х4,х5 к нормированным значениям х,, х2, х3, х4, х5 по формулам (15).

При исследовании дефекта язвенной коррозии на стержнях ферм с трубчатым сечением рассчитывалась КЭ модель с характерным для применяемых в ферменных металлоконструкциях труб соотношением размеров г/Я~0.85. Коррозионная впадина моделировалась коническим вырезом на поверхности трубы. Оси стержня и конического выреза пресекаются и взаимно перпендикулярны (рис. 4).

Данная модель коррозионной язвины, ввиду наличия остроконечного концентратора напряжений у вершины дефекта, позволяет учитывать наихудший случай развития дефекта.

Для построения эмпирических зависимостей был проведен эксперимент по ортогональному центральному композиционному плану (ОЦКП) с ядром в виде ПФЭ. Факторами эксперимента являлись:

х, - отношение ширины коррозионной впадины к ее глубине Ь/Ь; х2 - глубина коррозионной впадины, выраженная в долях от толщины стенки стержня ИЛ;

*з ~ толщина стенки стержня, выраженная в долях от диаметра стержня по средней линии Ш.

В результате эксперимента • были построены линейные и квадратичные уравнения регрессии, показывающие зависимость откликов от нормированных значений факторов. Проведена проверка значимости коэффициентов, удалены незначащие коэффициенты и проверена адекватность моделей. Поведение откликов аам, а<,тл па.м, «оМкр, Ь и п наиболее точно характеризуется следующими уравне-

Рис. 4. Модель дефекта язвенной коррозии в тонкостенном стержне из круглой трубы

ниями регрессии:

- а

„т - 2,390 + 0,544х2 + 0,080х3 + 0Д27(х, - 0,730) + + 0,294(х2 -0,730) + 0,105(х32 -0,730); аа„ =2,090-0,075х, +0,564х2 +0,0722х,х2 +

+ 0,057(х12-0,730) + 0,235(х2-0,730); аш = 1,950 - 0,080х, + 0, 445х2 + 0,066х,х2 +

+ 0,056(х,2 -0,730) + 0,198(х2 -0,730);

(18)

(19)

(20)

а.

аМкр

= 1,694 + 0,553х2 -0,300х3 + 0,096х,х2 -~0,075х2х3 + 0,373(х2 -0,730);

- 6 = 0,516-0,147х2 -0,023*;х2+0,016х,хз -

- 0,016(х,2-0,730) - 0,045(х2-0,730);

- п = -0,058 - 0,005х, - 0,026х2 +

+ 0,003х3 + 0,009*,х3 - 0,006х2х3 -

- 0,006(х,2 -0,73 0) - 0,011 (х2 -0,73 0) - 0,006(х32 -0,73 0).

(21)

(22)

(23)

В уравнениях (18)-(23) для перехода от натуральных значений факторов х,, х2, х3 к нормированным х„ х2, х3, необходимо выполнить преобразобания:

х, = 0,488.x,-3,659; х2 =3,038х2-1,519; *3 = 40,5х3 -3,645. (24)

^ Для исследования параметров концентра-

ции и распределения напряжений в стержнях с некруглым сечением рассматривалась отдельная грань стержня, представляющая собой пластину с конечными размерами и толщиной. Коррозионная каверна моделировалась коническим вырезом на поверхности пластины (рис. 5).

Для составления уравнений регрессии, связывающих величины откликов и параметры дефекта, проведен факторный эксперимент по ОЦКП с ядром в виде ПФЭ. В результате эксперимента были построены следующие уравнения регрессии:

- астМ = 2,498 + 0,732*,+ 0,197*,*2 +0,069х1х3;

У7/ШЖ

в

Рис. 5. Пластина с моделью дефекта язвенной коррозии

- ааЫ =2,313 + 0,727х2 + 0,075х3 +0,190*,*2 +0,066х,х3 +

+ 0,059х2х3 +0,056х,х2х3 +0,254(х2-0,730);

- аш =1,472 + 0,067х, + 0,277х2 +0,117*3 +0,192*,х2 +

+ 0,095*, х3 +0,132*2*з +0,096*1*2*3 + 0,180(*2-0,730); = 2,079 + 0,117*2 + 0,125х3 + 0,152х,*2 + 0,145*2*3 +

+ 0,233(х2-0,730);

- 6 = 0,463-0,125х2-0,036х3 -0,043х,х2-0,034х,х3 -

-0,032*2*з - 0,023*,*2*з + 0,028(х2 -0,730) +

+ 0,026(*з2 -0,730);

а.

аМкр

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

- « = -0,077-0,010*, -0,042х2 -0,026х3-0,015х,х2-- 0,02*,*3 - 0,023*2*3 - 0, 02х1*2*3.

В уравнениях (25)-(30) для перехода от натуральных значений факторов х,, х2, *3 к нормированным х2, х:, необходимо выполнить преобразования (24).

В третьей главе приведена расчетная методика оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций с учетом эксплуатационных дефектов.

Приведены зависимости для нахождения нагрузок, действующих на ферменные металлоконструкции кранов типа КБ-572 в процессе эксплуатации. К ним относятся: нагрузка от собственного веса, от веса груза, инерционные нагрузки в моменты неустановившегося движения, динамическая нагрузка в момент подъема груза, ветровая нагрузка. Уточнена известная расчетная зависимость для определения динамической добавки к весу груза при его отрыве от основания, найденная для двухмассовой системы. Предложена диаграмма для определения статического упругого смещения стрелы в точке подвеса груза за счета прогиба стрелы и растяжения расчала, построенная на основе анализа конечно-элементной модели стрелы (рис. 6).

—Вылет 5 м —В— Вылет 10м —*-■ Вылет 15 м

—X—Вылет 20 м —Ж—Вылет 25 м —•—Вылет 30 м

Рис. 6. Диаграмма значений статического прогиба стрелы уст в точке подвеса груза в зависимости от веса груза С> при различных вылетах стрелы

Усилия и моменты действующие в узловых соединениях и сечениях стержней находятся на основе известного численного метода - метода перемещений в

матричной формулировке. Общая последовательность расчета несущей способности по критериям устойчивости и статической прочности соответствует положениям действующих норм по расчету металлоконструкций башенных кранов. Условие статической прочности с учетом коэффициентов ап>( и аоМ для изгибаемых стержней имеет вид

Мх МУ ^ Л>

~т^У + аам~г~х- ÄÄГт К >'

1X у

для сжато-изгибаемых стержней:

аа^ ! М' ! ашМУ ^

АЛ>гс

Предложенная математическая модель усталостной долговечности ферменных металлоконструкций учитывает две стадии процесса усталостного разрушения. Общее условие сохранения усталостной прочности имеет вид

2о>0,

где Z0 - величина остаточного ресурса в циклах колебания напряжений в наиболее нагруженном расчетном сечении. Величина в расчетном сечении находится по зависимости

Х0 = 7. А - ки2и + 2В,

здесь 1А - величина ресурса ферменной металлоконструкции на этапе накопления усталостных повреждений, найденная на основе модели многоцикловой усталости Пальмгрена-Майнера; 2и - фактическое количество циклов колебания напряжений в расчетном сечении; 7В - количество циклов нагружения расчетного сечения на этапе живучести, определяемое с использованием модели Пэриса.

Четвертая глава посвящена разработке программного комплекса

«Кгап-572», реализующего расчетные методики оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных

металлоконструкций башенных кранов КБ-572, представленные во второй главе (рис. 7).

Обоснована необходимость разработки программного комплекса, составлены

основные требования к аппаратно-техническому обеспечению комплекса, программной совместимости и условиям его эксплуатации. Разработаны структура программного комплекса

«Кгап-572», состав модулей и описание назначения каждого модуля. Созданы и

реализованы алгоритмы создания и трехмерного отображения стержневых конст-

рукций, а также их деформированного состояния, алгоритмы оценки несущей способности и остаточного ресурса заданных сечений стержней и узловых соединений ферменных конструкций с учетом дефектов.

Учитываются следующие виды дефектов: отклонение от прямолинейности осей стержней, эксцентриситет в узлах, дефекты погиби, вмятины, дефекты язвенной и сплошной коррозии, трещиноподобные дефекты, дефекты сварных соединений (подрезы, непровары, дефекты формы шва), применение несоответствующих типов сталей.

Выполнена программная реализация аппарата перемещений в матричной формулировке. Разработаны требования к информационному обеспечению программного комплекса, разработана структура и физическая модель базы данных, приведен порядок ее заполнения. Определены требования к пользовательскому интерфейсу программного комплекса.

В пятой главе работы представлены результаты расчета несущей способности и остаточного ресурса дефектных ферменных металлических конструкций крана-лесопогрузчика КБ-572Б, принадлежащего ОАО «Дятьково-ДОЗ».

Собраны сведения о состоянии металлоконструкций крапа. Использовались паспортные данные и результаты обследования. Составлен полный перечень дефектов - с учетом тех дефектов, которые являются допустимыми с точки зрения действующей руководящей документации. Выполнено хронометрирование работы крана в объеме, позволяющем получить достоверные данные о эксплуатационной нагруженное™. Уточнены данные о эксплуатационных нагрузках. С использованием разработанного программного комплекса «Кгап-572» созданы две расчетные модели ферменных металлоконструкций лесопогрузчика - без учета дефектов и с их учетом (рис. 8). Проведены расчеты несущей способности и остаточного ресурса по двум расчетным схемам.

Остаточный ресурс, вычисленный по бездефектной схеме составляет 9,4 года, по схеме с учетом дефектов

- 1,4 года. Наиболее нагруженным расчетным сечением при расчете по бездефектной схеме является верхний пояс стрелы в месте крепления расчала.

При расчете по схеме с учетом дефектов наиболее опасным оказалось сечение 4-го стержня верхнего правого пояса консоли противовеса, содержащего дефект вмятины на наружной грани. Сде-

крана-лесопогрузчика КБ-572Б, выполненная в программном комплексе «Кгап-572»

лап вывод, что наличие допустимых с точки зрения руководящей документации отклонений, приводит к значительной погрешности в оценке величины остаточного ресурса металлоконструкций.

Далее в четвертой главе определены предельно-допустимые размеры дефектов вмятины и язвенной коррозии. Наличие коррозионных язвин и вмятин не допускается в стержнях, испытывающих напряжений в пределах от 0,5 до 0,8 предела текучести. В елабонагруженных стержнях максимально допустимая величина коэффициента аам находится в диапазоне 2,0...4,0 в зависимости от применяемой стали (СтЗсп5 или 09Г2С) и вида проката. Размерные характеристики дефектов вмятины и язвенной коррозии устанавливались для нижней границы диапазона аам=2,0.

Допустимые размеры вмятин в стержнях ферменных металлоконструкций кранов КБ-572 устанавливались на основании зависимостей (6) и (12). Допустимые размеры дефекта язвенной коррозии определены по зависимостям (19) и (26). Допустимые значения всех факторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Допустимые соотношения размерных характеристик дефектов вмятины и язвенной коррозии в стержнях ферменных металлоконструкций башенных кранов типа КБ-572

№ Размерная характеристика дефекта Обозначение Диапазон допустимых значений

Дефект вмятины в стержнях с сечением из круглой трубы

I Глубина вмятины й й<0,150

2 Продольный размер вмятины Ь Ь>0,830

3 Внутренний радиус тора Кцм поп Я»м„с,<0,34О

4 Радиус закругления на кромках Якп ^„<0,801

5 Толщина стенки стержня ^0,060

Дефект вмятины в стержнях с некруглым сечением

1 Отношение ширины вмятины к ширине пластины Р/В Р/В<0,25

2 Отношение длины вмятины к ее глубине ь/й 1^>3,90

3 Отношение глубины вмятины к ее ширине е/р й/Р>0,40

4 Отношение радиуса закругления на кромках вмятины к толщине пластины Як-рЛ ЯкрЛ<1,60

5 Отношение толщины стенки к ширине пластины УВ Ї/В>0,09

Дефект язвенной коррозии в стержнях с сечением из круглой трубы

1 Глубина проникновения коррозии в стенку стержня ьл Ь/КО,42

2 Параметр формы коррозионной язвины Мі Ъ/Ь>4,43

3 Толщина стенки стержня № не влияет

Дефект язвенной коррозии в стержнях с сечением из некруглой трубы

1 Глубина проникновения коррозионной язвины в стенку стержня ьл Ь/КО,42

2 Параметр формы коррозионной язвины ь/ь 5,45<Ь/Ь<9,55

3 Толщина стенки стержня в долях от ширины грани № 0,07<1/В<0,11

Полученные диапазоны размерных характеристик дефектов вмятины и язвенной коррозии позволяют более точно установить допустимость дефектов данного вида по сравнению с ограничениями, приведенными в действующих нормах. Это связано с учетом влияния на концентрацию напряжений нескольких размерных факторов а также эффектов их взаимодействия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Достоверная оценка несущей способности и усталостной долговечности ферменных несущих металлических конструкций башенного крана-лесопогрузчика КБ-572 возможна на основе подходов, учитывающих влияние типовых эксплуатационных дефектов.

2. Анализ современных исследований в области оценки несущей способности и усталостной долговечности несущих ферменных металлоконструкций грузоподъемных машин (в том числе и башенного крана КБ-572) с эксплуатационными дефектами показал, что наименее изученными являются вопросы влияния дефектов вмятины и язвенной коррозии в стержнях металлических ферм. Также необходима разработка математических моделей прочности и надежности ферменных металлоконструкций, базирующихся на использовании численных методов и учитывающих две стадии процесса усталостного разрушения и влияние эксплуатационных дефектов.

3. Изучение концентрации и распределения напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций крана КБ-572 в области расположения дефектов типа вмятины и язвенной коррозии показало, что данные дефекты являются концентраторами напряжений сложной формы и оценка циклической прочности стержней с использованием действующих норм проектирования оказывается недостаточно точной. Поэтому целесообразен подход, основанный на экспериментальном исследовании параметров напряженного состояния стержней с дефектами данного вида с использованием компьютерного моделирования. Эмпирические зависимости коэффициентов концентрации напряжений и параметров функции распределения напряжений, полученные на основе данного подхода с использованием теории факторного эксперимента, от относительных соотношений геометрических размеров дефектов, позволяют оценивать статическую и усталостную прочность стержней.

4. Создан комплекс взаимоувязанных математических моделей оценки несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлоконструкций башенного крана КБ-572 и его модификаций с учетом типовых эксплуатационных дефектов, а также инженерные методики их реализации, ориентированные на использование вычислительной техники.

5. Разработан программный комплекс «Кгап-572», реализующий расчетные методики оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций крана КБ-572 и его модификаций с учетом типовых эксплуатационных дефектов, к которым относятся: язвенная коррозия, сплошная коррозия, эксцентриситет, отклонение от прямолинейности оси стержня, вмятина, обрыв

стержня, трещиноподобный дефект, дефекты сварных соединений (непровар, подрез, дефект формы шва).

6. Проведенные с применением программного комплекса «Кгап-572» расчеты несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций крана-лесопогрузчика КБ-572Б, эксплуатирующегося на складе древесного сырья ОАО «Дятьково-ДОЗ», с использованием двух расчетных схем (без учета дефектов и с учетом зафиксированных при экспертном обследовании дефектов) показали, что результаты значительно различаются: рекомендуемый остаточный ресурс при расчете по бездефектной схеме составляет 9,4 года эксплуатации, а по схеме с учетом дефектов - 1,4 года.

7. Исследования допустимых размеров дефекта вмятины и язвенной коррозии в ферменных металлоконструкциях кранов КБ-572 показали, что в наиболее нагруженных стержнях, испытывающих напряжения в переделах 0,5...0,8 от предела текучести, дефекты данного вида недопустимы. Допустимые размеры дефектов в слабонагруженных стержнях, испытывающих напряжения в пределах 0,3...0,5 величины предела текучести материала, представлены в виде комплекса размерных ограничений. Сравнение полученного комплекса с действующими нормами показало, что допустимый размер коррозионных язвин в 8 раз больше чем в действующих нормах, допустимые размеры вмятин находятся в диапазоне

0.9...2.от величины, приведенной в нормах.

8. Полученные в настоящей работе эмпирические зависимости и математические модели расчетной оценки несущей способности, прочности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций крана КБ-572 и его модификаций, реализованные в виде программного комплекса «Кгап-572», используются в ООО «Промбезопаеность» (г. Брянск) при проведении экспертизы промышленной безопасности для расчетной оценки надежности кранов данного типа, КБ-674 и КБ-408, а также внесены в качестве объекта интеллектуальной собственности в уставной капитал малого инновационного предприятия при Брянском государственном техническом университете ООО «Промбезопасность-БГТУ».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Парфенов, Н.С. Влияние дефектов язвенной коррозии на несущую способность стержней крановых ферм / Н.С. Парфенов, С.В. Ануфриев // Изв. Тул-ГУ. - Тула, 2009. - №2. - С. 239-247.

2. Парфенов, Н.С. Исследование влияния дефекта вмятины на несущую способность стержней металлических ферм / Н.С. Парфенов // Вести. БГТУ. - 2009. -№4. - С. 43-47.

3. Парфенов, Н.С. Оценка остаточного ресурса крана-лесопогрузчика КБ-572, находящегося в эксплуатации в ОАО «Дятьково-ДОЗ» / Л.И. Блейшмидт, Н.С. Парфенов // Вестник БГТУ. - 2009. - №1. - С. 29-34.

4. Лагерев, А.В. Характеристики прочности стержней ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 с дефектами вмятины и язвенной коррозии / А.В. Лагерев, Н.С. Парфенов // Вестник БГТУ. - 2011. - №3. - С. 47-55.

Документы на объекты интеллектуальной собственности:

5. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №16079. Программа оценки несущей способности ферменных металлических конструкций грузоподъемных машин и строительных сооружений Кгап-572 / Н.С. Парфенов, А.Г. Башмаков // Объединенный фонд электронных ресурсов «Наука и образование», 2010.

Другие публикации:

6. Парфенов, Н.С. Исследование влияния вмятины на несущую сдобность элементов металлических ферм / Н.С. Парфенов, Л.И. Блейшмидт // Материалы международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях». - Брянск, 2009. - С. 74-75.

7. Парфенов, Н.С. Программный комплекс для оценки остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов КБ-572 па этапе сверхнормативной эксплуатации / Н.С. Парфенов // Материалы Ежегодной XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов. - Москва, 2009. - С. 19.

8. Парфенов, Н.С. Исследование влияния дефекта вмятины на несущую способность стержней металлических ферм / Н.С. Парфенов, О.Н. Крахмалев // Материалы Ежегодной XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов. - Москва, 2009. - С. 20.

9. Парфенов, Н.С. Исследование напряженного состояния стержней металлических ферм с дефектом погиби / Н.С. Парфенов // Сборник материалов Региональной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области». - Брянск, 2010. - С. 35-37.

10. Парфенов, Н.С. Определение усталостных характеристик стержней ферменных металлоконструкций башенных кранов с дефектами вмятин / Н.С. Парфенов // Современные вопрос науки - XXI век: сб. научн. тр. по мат-лам Между-нар. науч.-практ. конф. 27 июня 2011 г.: в 2 частях. - Часть 1. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С. 107-109.

11. Парфенов, Н.С. Расчетно-экспериментальный метод оценки предела выносливости стержней ферменных металлоконструкций башенных кранов с дефектами вмятины // Материалы международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании». - Брянск, 2011. - С. 41-43.

Подписано в печать «19» января 2012 г.

Формат 60x34 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.

____________Уел, печ. л. 1,0. Тираж 110 экз. Заказ №297. Бесплатно.

Издательство Брянского государственного технического университета 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ, тел. (4832) 58-82-49 Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

61 12-5/1980

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет»

На правахл)укописи

Парфенов Николай Сергеевич

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И УСТАЛОСТНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ФЕРМЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ БАШЕННЫХ КРАНОВ-ЛЕСОПОГРУЗЧИКОВ КБ-572 С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ

05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор А.В. Лагерев

Брянск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень принятых сокращений................................................................................4

Введение.......................................................................................................................5

1. Надежность ферменных металлических конструкций башенных кранов.......11

1.1. Конструктивные особенности ферменных металлических конструкций башенных кранов типа КБ-572 и его модификаций..........12

1.2. Дефекты ферменных металлических конструкций башенных кранов-лесопогрузчиков КБ-572.................................................................19

1.3. Надежность ферменных металлических конструкций башенных кранов типа КБ-572 при эксплуатации.......................................................29

1.4. Выводы............................................................................................................35

1.5. Постановка задач дальнейших исследований.............................................36

2. Исследование прочности и ресурса ферменных металлических конструкций башенных кранов КБ-572 с дефектами вмятины и язвенной коррозии.................................................................................................................37

2.1. Оценка предела выносливости стержней с локальными концентраторами напряжений сложной формы........................................37

2.2. Концентрация и распределение напряжений в стержнях с дефектом вмятины.........................................................................................................41

2.3. Концентрация и распределение напряжений в стержнях с дефектом язвенной коррозии........................................................................................53

2.4. Выводы............................................................................................................59

3. Методика оценки несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлоконструкций башенных кранов типа КБ-572 с учетом дефектов....................................................................................................61

3.1. Расчетные нагрузки на ферменные металлические конструкции башенного крана КБ-572..............................................................................61

3.2. Схематизация и дискретизация процесса эксплуатационного нагружения башенных кранов КБ-572 на основе данных хронометрирования......................................................................................67

3.3. Расчетная оценка несущей способности ферменных металлических конструкций башенных кранов при действии статической нагрузки.....71

3.4. Расчетная оценка усталостной прочности и остаточного ресурса ферменных металлических конструкций башенных кранов типа КБ-572............................................................................................................74

3.5. Выводы............................................................................................................82

4. Программный комплекс по оценке несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлических конструкций башенных кранов с учетом дефектов....................................................................................83

4.1. Основные технические характеристики программного комплекса «Кгап-572».....................................................................................................83

4.2. Функциональные возможности программы и область применения........85

4.3. Структура и алгоритм работы программы..................................................87

4.4. Информационное обеспечение программного комплекса «Кгап-572»....97

4.5. Пользовательский интерфейс и порядок работы с программой.............101

4.6. Выводы..........................................................................................................111

5. Результаты исследования напряженного состояния ферменных металлических конструкций крана-лесопогрузчика КБ-572Б с использованием программы «Кгап-572»..........................................................112

5.1. Расчетная модель и оценка несущей способности ферменных металлоконструкций крана с использованием программы «Кгап-572»...................................................................................................120

5.2. Анализ результатов расчета несущей способности дефектных ферменных металлических конструкций лесопогрузчика КБ-572........125

5.3. Обоснование предельно допустимых величин дефектов ферменных металлических конструкций башенных кранов КБ-572.........................139

5.4. Выводы..........................................................................................................143

Основные результаты работы и выводы...............................................................145

Список использованных источников.....................................................................148

Приложения..............................................................................................................163

Приложение 1. Документы на объекты интеллектуальной собственности......163

Приложение 2. Документы о внедрении результатов работы............................164

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БК - башенный кран;

ДФЭ - дробный факторный эксперимент;

ГПМ - грузоподъемная машина;

ИСР - интегрированная среда разработки;

КИН - коэффициент интенсивности напряжений;

МНК - метод наименьших квадратов;

МКЭ - метод конечных элементов;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

НСС - нормативный срок службы;

НТД - нормативно-техническая документация;

HTJI - научно-техническая литература;

ОПУ - опорно-повортное устройство;

ОЦКП - ортогональный центрально-композиционный план эксперимента;

ПС - предельное состояние;

ПТМ - подъемно-транспортная машина;

ПФЭ - полный факторный эксперимент;

РЗ - расчетная зона;

СУБД - система управления базами данных;

ХТЦ - характерный технологический цикл работы грузоподъемной машины;

ЭВМ - электронная вычислительная машина.

ВВЕДЕНИЕ

Краны-лесопогрузчики типа КБ-572 обеспечивают непрерывное функционирование лесообрабатывающих и лесоперерабатывающих предприятий, складов древесного сырья, перегрузочных баз. В организациях различных форм собственности на всей территории России эксплуатируется около 1,5 тысяч кранов данного типа [67].

Наблюдается высокая аварийность кранов-лесопогрузчиков КБ-572 и его модификаций, которая обуславливается рядом причин [8,67]. Одной из основных является наличие в несущих металлических конструкциях ГПМ эксплуатационных дефектов, снижающих характеристики несущей способности металлоконструкций. Наличие дефектов вызывается действием эксплуатационных факторов, окружающей среды, нарушением правил эксплуатации ГПМ, низким качеством ремонтных работ. Находящийся в настоящее время в эксплуатации парк башенных кранов типа КБ-572 состоит на 70% из машин, отработавших НСС, и содержащих в своих металлоконструкциях те или иные дефекты [8,57,71]. При эксплуатации ГПМ с дефектами несущих металлоконструкций повышается вероятность наступления ПС по различным критериям несущей способности, т.е. происходит увеличение риска эксплуатации БК [120]. Остановка работы ГПМ влечет за собой негативные последствия: прекращение деятельности эксплуатирующей организации и экономический ущерб.

Изложенная технико-экономическая проблема требует решения задачи оценки безопасности эксплуатации ферменных металлоконструкций башенных кранов КБ-572 и его модификаций на этапе сверхнормативной эксплуатации. Ее решение связано с оценкой несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций под действием эксплуатационных нагрузок с учетом имеющихся в них отклонений, дефектов и повреждений. Оценка несущей способности и остаточного ресурса должна проводиться с использованием расчетных методик, использование которых позволяет прогнозировать величину остаточного ресурса ферменных металлических конструкций с учетом их фактического состояния и уровня дефектности.

В диссертационной работе объектом исследования являются несущие ферменные металлические конструкции кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его

модификаций. Кран башенный КБ-572 грузоподъемностью 10 тонн и вылетом стрелы 35 метров спроектирован Специальным конструкторско-технологическим бюро башенного краностроения и выпускался до 1998 года тремя заводами изготовителями: Никопольским краностроительным заводом, Пермским машиностроительным заводом «Коммунар», Санкт-Петербургским «55 механическим заводом» [67].

Целью работы является повышение надежности и безопасности эксплуатации несущих ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций за счет использования при оценке их несущей способности и остаточного ресурса расчетных методик, позволяющих учесть влияние характерных эксплуатационных и технологических дефектов.

Научная новизна работы.

1. Получены эмпирические зависимости для оценки параметров концентрации и распределения напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии.

2. Разработаны математические модели несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов, к которым относятся: язвенная коррозия, сплошная коррозия, эксцентриситет, отклонение от прямолинейности оси стержня, вмятина, обрыв стержня, трещиноподобный дефект, дефекты сварных соединений (непровар, подрез, дефект формы шва).

Практическая значимость результатов работы.

1. Обоснованы предельно допустимые размеры дефектов язвенной коррозии и вмятины в стержнях ферменных металлоконструкций башенных кранов с учетом влияния отказа дефектного элемента на надежность всей конструкции.

2. Разработана расчетная методика оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ 572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов.

3. Разработан программный комплекс «Кгап-572», реализующий расчетные методики оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных

металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов.

Программный комплекс «Кгап-572» используется ООО «Промбезопас-ность» (г. Брянск) при экспертизе промышленной безопасности башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификаций, башенных кранов КБ-674 и КБ-408, имеющих схожую конструкцию, а также внесен в качестве объекта интеллектуальной собственности в уставной капитал малого инновационного предприятия при Брянском государственном техническом университете ООО «Промбезопасность-БГТУ».

В первой главе диссертационной работы представлен обзор конструктивных исполнений металлических ферм башенных кранов типа КБ-572. Представлен обзор наиболее распространенных видов дефектов ферменных металлических конструкций БК.

Рассмотрены достижения в области инженерных расчетов усталостной долговечности элементов металлических конструкций. Анализировались линейные модели Пальмгрена, Марко, Старки, В.П. Когаева, C.B. Серенсена а также нелинейные A.A. Абызова, О.С. Садакова, В.П. Багмутова, А.Н. Савкина. Сделан вывод, что в условиях нестационарного случайного нагружения, преимуществами обладают методы, основанные на линейном законе суммирования усталостных повреждений Пальмгрена-Майнера.

Вторая глава посвящена исследованию прочности стержней ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований с использованием компьютерного моделирования, а также эмпирические зависимости для расчета параметров концентрации и распределения напряжений в области дефектов, позволяющие оценивать статическую и циклическую прочность стержней.

В третьей главе приведена расчетная методика для оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 с учетом типовых эксплуатационных дефектов.

Приведены зависимости для нахождения нагрузок, действующих на ферменные металлоконструкции кранов типа КБ-572 в процессе эксплуатации. Уточнена известная расчетная зависимость для определения динамической

добавки к весу груза при его отрыве от основания, найденная для двухмассовой системы. Предложена диаграмма для определения статического упругого смещения стрелы в точке подвеса груза за счета прогиба стрелы и растяжения расчала, построенная на основе анализа конечно-элементной модели стрелы.

Предложены уточненные зависимости для оценки несущей способности стержней ферменных металлических конструкций с дефектами вмятины и язвенной коррозии, основанные известных зависимостях, приведенных в номах по расчету металлоконструкций.

Для оценки усталостной прочности ферменных металлоконструкций башенных кранов КБ-572 предложена математическая модель усталостной долговечности, учитывающая две стадии процесса усталостного разрушения.

Четвертая глава посвящена разработке и описанию программного комплекса «Кгап-572», реализующего расчетные методики, представленные в третьей главе. Приведено обоснование необходимости разработки программного комплекса, основные требования к аппаратно-техническому обеспечению комплекса, программной совместимости и условиям его эксплуатации, структура программного комплекса «Кгап-572», состав модулей и описание назначения каждого модуля. Разработаны требования к информационному обеспечению программного комплекса, приведена структура базы данных, порядок ее заполнения. Определены требования к пользовательскому интерфейсу программного комплекса.

В пятой главе работы представлены результаты расчета несущей способности и остаточного ресурса дефектных ферменных металлических конструкций крана-лесопогрузчика КБ-572Б, принадлежащего ОАО «Дятьково-ДОЗ».

Проведено сравнение результатов расчета несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций крана-лесопогрузчика КБ-572Б без учета дефектов и с учетом дефектов. Дан анализ сравнения результатов расчетов. Далее в пятой главе было проведено обоснование предельно-допустимых размеров дефектов вмятины и язвенной коррозии. Показано, что для некоторых элементов ферменных металлоконструкций возможно сохранение несущей способности даже при размерах дефектов больше, чем приведенные в нормативной документации. Сделан вывод, что учет дефектов при расчетах ферменных металлических конструкций БК, с использованием разработанных в данной работе методик, позволяет более точно определять параметры напряженного состояния ферменной

металлоконструкции.

Разработанный программный комплекс был апробирован при проведении организацией ООО «Промбезопасность» экспертизы промышленной безопасности кранов-лесопогрузчиков КБ-572Б и КБ-572, находящихся в эксплуатации в ОАО «Дятьково-ДОЗ», а также кранов КБ-674 и КБ-408, обладающих схожей конструкцией. Результаты расчетов, поведенных с использованием данного программного комплекса использовались при назначении остаточного срока эксплуатации данных кранов.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях» (г. Брянск, 2009 г.), Ежегодной XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС-2009 (г. Москва, 2009 г.), Региональной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области» (г. Брянск, 2009 г.), XXIII межвузовской научно-практической конференции посвященной 30-летию Брянской ГСХА (г. Кокино, 2010 г.), Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, 2010 г.), VIII Международной заочной научно-практической конференции «Современные вопросы науки - XXI век» (г. Тамбов, 2011 г.).

Научные исследования выполнены при поддержке программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 4 - в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получено 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса - программного комплекса «Кгап-572». Отдельные результаты исследований вошли в отчет по НИОКР №7474р/10214 - «Разработка программного комплекса по оценке несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлических конструкций башенных кранов с учетом эксплуатационных дефектов» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» (Брянск, 2009-2010 гг.).

Научные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Эмпирические зависимости для оценки теоретических коэффициентов

концентрации напряжений в стержнях ферменных