автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Основы нелинейной теории расчета стальных канатов

ВВЕДЕНИЕ. 5

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Состояние теории расчета стальных канатов . 8

1.1.1. Основные положения и зависимости линейной теории расчета прямых канатов.12

1.2. Особенности работы каната на некоторых подъемах 24

1.3. Предварительно напряженные крановые и другие конструкции .28

1.3.1. Затяжки для предварительно напряженных конструкций .30

1.4. Обзор экспериментальных и теоретических работ, отражающих явление геометрической нелинейности прямых канатов.32

1.5. Постановка задачи .38

2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ДЕФОРМАЦИЙ КАНАТОВ

2.1. Вывод нелинейных уравнений деформаций винтовой оси каната .40

2.2. Анализ нелинейного уравнения деформаций винтовой оси каната .51

2.2.1. Деформация винтовой оси при чистом кручении канатов .52

2.2.2. Деформация винтовой оси каната при свивке его из пучка прямых проволок

2.2.3. Случай,когда величина изменения угла свивки винтовой оси является малой по сравнению с I . 53

2.3. Вывод уравнения относительной деформации винтовой оси методом конечных приращений .55

3. ОБОБЩЕННЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ СТАТИКИ

ПРЯМОГО КАНАТА

3.1. Вывод рбобщенных уравнений для канатов двойной свивки .57

3.2. Обобщенные нелинейные уравнения для спиральных канатов .72

3.3. Жесткостные характеристики канатов .77

3.4. Частные случаи нагружения канатов

3.4.1. Чистое растяжение .78

3.4.2. Чистое кручение .82

3.4.3. Свободное растяжение .84

3.4.4. Свободное кручение .85

3.5. Вывод обобщенных уравнений статики прямого каната методом конечных приращений .87

3.6. Методика расчета равнонапряженных канатов, работающих в условиях свободного подвеса .90

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК КАНАТОВ

4.1. Исследование деформаций канатов при свободном растяжении .I0I-II

4.2. Исследование напряжений в элементах каната .II4-II

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАВНОНАПРЯЖЕННЫХ ЗАТЯЖЕК.ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО

НАПРЯЖЕНИЯ КРУЧЕНИЕМ.

5.1. Методика создани^ равнонапряженной затяжки 120

5.2. Расчет предварительно напряженной главной балки мостового крана .127

5.3. Расчет эффективности метода предварительного напряжения конструкций закручиванием равно-напряженных канатных затяжек .143

5.3.1-. Сравнительная оценка несущих способностей затяжек из равнонапряженного и стандартного канатов .144

5.3.2. Определение крутящего момента равно-напряженной затяжки и сравнительные расчеты силовых режимов .146

5.4. Оценка прочности затяжек с учетом изгибающих и касательных напряжений .152

5.5. Экспериментальная проверка работы канатных затяжек в конструкции»предварительно напрягаемой кручением .154

5.6. Канатные затяжки двойной свивки .165

ВЫВОДЫ 170

Решения ХШ съезда КПСС предусматривают дальнейшее увеличение объема выпуска промышленной продукции, добычи угля, руды,нефти,газа, производства цветных металлов, выплзвки чугуна и стали,развитие прогрессивных видов геофизических и геохимических исследований недр. Успешное выполнение этих планов неразрывно связано с увеличением выпуска и повышением технических параметров грузоподьемно- ■ го оборудования, одним из главных несущих элементов которого является стальной канат.

От правильного расчета и выбора стальных канатов зависит не только надежность работы всей грузоподъемной установки,но во многом и ее габариты.

Работы по повышению эксплуатационного качества канатов ведутся в направлении совершенствования технологии изготовления и конструкций канатов, а также применения новых высокопрочных материалов.

Повышение технических параметров грузоподъемных машин и создание их новых видов предъявляет ряд новых требований к прочности канатов и методам их расчета.

Усилия многих отечественных и зарубежных ученых были направлены на исследование проблем прочности и долговечности стальных канатов,разработку научных методов их расчета с учетом статических и динамических нагрузок,а также на разработку научных основ для выбора минимально необходимых запасов прочности канатов. В этом направлении проведено большое число исследований как у нас, так и за рубежом. Однако,приоритет в этой области принадлежит советским ученым, прежде всего академику А.Н.Диннику,академику АН УССР

- б

Г.Н.Савину, члену корреспонденту АН УССР П.П.Нестерову, профессорам Б.С. Ковальскому, М.Ф.Глушко, Ф.В.Флоринскому, В.Д.Белому, С.Ф.Чукмасову и др.

В настоящее время широкое распространение получила линейная теория расчета канатов при совместном их растяжении и кручении, разработанная проф. М.Ф.Глушко, ограничивающаяся малыми деформациями по недеформируемой расчетной схеме каната.

Однако, на многих подъемных установках канаты работают с возможностью значительного раскручивания, когда расчет по недеформируемой расчетной схеме дает большие погрешности.

В режиме кручения работают шахтные проходческие канаты, канаты на корабельных и портальных кранах; канаты, предназначенные для разведки глубоких буровых скважин; аэростатные тросы и др. Расчет таких канатов по известной линейной теории дает погрешности до 50%, что не может удовлетворить практику и требует ее пересмотра и уточнения, т.е. создания геометрически нелинейной теории, учитывающей изменение первоначальных геометрических параметров свивки элементов каната в процессе его деформации.

Нелинейная теория расчета открывает возможность более точного определения напряжений в канате и снижения его запасов прочности, а также создания равнонапряженных конструкций канатов применительно к условиям кручения.

Таким образом, проблема создания геометрически нелинейной теории расчета стальных канатов в настоящее время актуальна и является целью данной работы.

Работа состоит из пяти глав, общих выводов и приложения.

В первой главе сделан анализ состояния теории расчета стальных канатов; проведено исследование аспектов применения канатов в подьемно-трэнспортных установках и строительных сооружениях, где их эксплуатация сопряжена с большим кручением, обуславливающем геометрически нелинейный характер деформаций; сделан анализ экспериментальных и теоретических работ, отражающих явление геометри-' ческой нелинейности деформаций канатов; поставлена задача.

Вторая и третья главы посвящены,соответственно, выводу и анализу нелинейных геометрических уравнений деформаций винтового элемента каната и обобщенных уравнений статики прямого каната, на базе которых создана методика расчета равнонапряженных канатов, работающих в условиях свободного подвеса груза.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке теоретических зависимостей геометрически нелинейной теории расчета прямых канатов. Проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных.

В пятой глеве дано приложение нелинейной теории к созданию методики расчета равнонапряженных канатных затяжек, натяжение которых создается их закручиванием.

В заключении приведены общие выводы, отражающие основные результаты работы.

1 ВЫВОДЫ

I.Исследование аспектов применения стальных канатов в подъемно-транспортных установках и других областях техники показывает, что во многих случаях их эксплуатация сопровождается значительным кручением и существенным изменением углов свивки винтовых элементов,что обуславливает геометрически нелинейный характер деформаций, когда существующая линейная теория не дает удовлетворительных результатов. В связи с этим в диссертации поставлена и решена задача расчета напряженно-деформированного состояния каната при совместном действии растяжения и кручения с учетом геометрической нелинейности.

2.Выведены нелинейные геометрические уравнения деформаций винтового элемента каната с точностью до квадрата приращения угла свивки за период деформации. Геометрическая нелинейность проявляется в большей степени при наличии кручения и при свивке каната из пучка прямых проволок.

3.Выведены обобщенные нелинейные уравнения статики прямых канатов с точностью равной вторым степеням деформаций.

4.На базе геометрических урэвнений нелинейной теории разработана методика расчета рэвнонэпряженных канатов, работающих в условиях свободного подвеса груза. Данная методика применена для создания равнонапряженного двухслойного каната двойной свивки 8x19+4x7+10.е., 0 17,0 мм (ТУ14-288-5-76) для сверхглубоких буровых скважин.

5.3а счет более полного использования несущей способности металла запзс прочности равнонапряженных канатов, применительно к условиям свободного подвеса груза, по допускаемым напряжениям может быть снижен по сравнению с обычными канатами примерно на 30%. б.Нелинейная теория расчета подтверждена экспериментально.

7.Проведено сравнение теоретических значений деформаций канатов, по лученных расчетом по линейной и нелинейной теории с аналогичными экспериментальными значениями, полученными как в диссертации, так и другими авторами, для канатов, эксплуатирующихся в условиях свободного подвеса груза. Линейная теория расчета для канатов, работающих в условиях свободного подвеса груза, дает при малых запасах прочности ( п. = 2 *2,5) завышенные значения величин деформаций по сравнению с соответствующими экспериментальными данными на 35-50% - для канатов двойной свивки с органическим сердечником (ГОСТ 7668-69; ГОСТ 3070-66) и на 15-20%- для канатов двойной свивки с металлическим сердечником (ТУ 14-288-16-76). Нелинейная теория расчета для канатов, работающих в условиях свободного подвеса при малых запасах прочности ( П- = 2*2,5), дзет расхождение с экспериментальными данными 10-12%- для канатов с органическим сердечником (ГОСТ 7668-69, ГОСТ 3070-66) и 5-7% - для канатов двойной свивки с металлическим сердечником (ТУ 14-288-16-76), которое является допустимым в инженерных расчетах.

8.Предложен метод предварительного напряжения конструкций закручиванием канатных затяжек,выполненных в виде многослойных спиральных канатов и канатов двойной свивки.Разработанная нелинейная теория расчета канатов позволяет конструировать равнонапряженные канатные, затяжки на конечном этапе нагружения в закрученном состоянии.

9.Применение канатных затяжек в конструкциях,предварительно напрягаемых их закручиванием уменьшает мощность подъемного оборудования и при незначительном крутящем моменте обеспечивает большие усилия натяжения затяжек,поэтому их применение является технически перспективным.

10".Теоретически и экспериментально доказано повышение несущей способности равнонэпряжеиных канатных затяжек по сравнению с затяжками таких же конструкций,выполненных в виде обычных канатов,выпускаемых канатными заводами по требованиям ГОСТа на стальные канаты, примерно на 30%.

1. К1льчевський М.О. - Про роэподТл напрул^ень 1 деформац1йу дротяних канатах.Прац1 Ки1вського держун1верситету.Матем.зб1рник, 1948, № 2, C.I0I-I38.

2. Бабенко А.Ф.,Акивенсон М.Ю.- Экспериментальное исследованиераспределения растягивающего усилия между проволоками спирального каната с учетом сил трения.Научные записки Одесского политехнического института,I96I,т.36,с.I08-III.

3. Глушко М.Ф. - Стальные подъемные канаты,Киев,Техн1ка,1966,327с.

4. Козлов В.Т.,Высочин В.Д. - Исследование напряженного состоянияканатной проволоки при волочении.В сб."Стальные канаты",Киев,Техн1ка, 1966, вып.3,с.380-385. 174

5. КОЗЛОВ В.Т. - Исследование свивочных напряженийв стальных проволочных канатах. Научные записки Одесского политехнического института,I96I, т.36,с.24-36.

6. Козлов В.Т.,Киршанков А.Т. - Экспериментальное исследованиераспределения усилий и моментов в элементах необтянутых и обтян^^тых канатов.- В сб."Стальные канаты",Киев,Техн1ка,1968,вып.5, с.174-178.

7. Чумаков А.С.,МереняшеБ М.И.,Габрюк В.И.-Механические характеристики стальных канатов."Рыбное хозяйство",1976,№ 1,0.44-46. 18.Козлов В.Т. 19.Синицкая М.В. 175

8. Глушко М.Ф.,Шахназарян Э.А.- Механический расчет каротажных\ ' кабелей с учетом поперечной податливости изоляции.- в сб."Прикладная геофизика",М.,Недра,1964,вып.39, с.167-178.

9. Коган И.Я. - Строительные башенные краны.М,Машиностроение,I97I, 400с.

10. Глушко М.Ф.,Волоконский В.Ф.-Расчет некрутящихся канатов. Известиявузов "Горный журнал",1962, № 8, с.15-20.

11. Мельников И,П. - Развитие металлических конструкций.И.,Стройиздат, 1965,279с. 31 . Металлические конструкции. Состояние и перспективы развития, Под ред.Стрелецкого А.С. М., Стройиздат, 1969, 37бс.

12. Беленя Е.И. - Обзор исследований предварительнонапряженных металлических конструкций. Ш Международная конференция по предварительно напряженным металлическим конструкциям. Л., I97I , т.5 с.57-74.

13. Фишер Фрейд - Висячее покрытие нового здания"Мэдисон скэр гарден", "Гражданское строитедБСТво", 1967, № б с .5-11.

14. Киреенко В.И. - Вантовые мосты.Киев Буд1вепьник,1967, 279с.

15. Гольдштейн А,С.,Киреенко В.И.- Висячие и арочные переходы нефтепроводов, М.,Недра, 1964, 115с.

16. Исследование прочности и оптимизации конструкций крановыхканатов.Отчет Ш 760/9376, Украинский заочный политехнический институт, кафедра подъемно-транспортных машин, 1982г.

17. Бондарь В.А. - Способ предварительного напряженияленточной арматуры.Авторское свидетельство Ш 798264, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", Ш 3, I98I .

18. Глушко М.Р.,СавкоБ В.И.,Шигарина Л.И. - Проволочный канат,авторское свидетельство № I0I0I69, "Открытия, изобретения,промышленные образцы, товарные знаки, Ш 13, 1983.

19. Савин Т.Н.,Каюк Я.Ф. - Дифференциальные уравнения динамикинити переменной длины в случае физической и геометрической нелинейности.В сб."Стальные канаты", Киев, Техн1ка, 1965, вып.2, с.31-41.

20. Шахназарян Э.А, - Об уравнениях нелинейной теории расчетакабель-каната,- В сб. "Стальные канаты", Киев, Техн1ка, 1969, вып.6,с.112-115. - 178 46.Новожилов В,В. 47.Новожилов В.В.

21. Шахназарян Э.А. - Уравнения равновесия каната-кабеляв нелинейной форме.-В сб."Стальные канаты",Киев,Техн1ка,1965,выл.2, C.I5I-I54. - Основы нелинейной теории упругости. М-Л.,Гостехиздат,1948,211с. - Теория упругости.!.,Судпромгиз, 1958,370с.

22. Бусленко Н.П. - Математическое моделирование производственных процессов на цифровых вычислительных машинах.Наука,1964, Зб2с.

23. Патент Великобритании № 950558, Кл.Д07,1968.

24. Глушко М.Ф,,Малиновокий В,А,,Шигарина Л,И,,Кононенко Л.А.Нелинейные уравнения равновесия прямого каната, "Прикладная механика! 1979, № 12, с.127-129.

25. Глушко М.Ф.,Малиновский В.А.,Шигарина Л.И.- Расчет пршлогоканата с учетом нелинейности деформаций.- В сб. "Прочность и долговечность стальных канатов", 1981,0.31-37 /депонирована в ЦНТБЧМ/. 180 61.Номерованный B.C. 62.f^a^aLM., Sato 5.^ JlLciaT.

26. Васильев А.А. - Металлические конструкции.М.,Госстройиздат,I96I,77бс. 181 68.Гайдарев Ю.В. б9.Романенко П.М.

27. Прогрессивные металлические конструкции для про1д>плленногостроительства. Под ред. В.И. Лабзенко и Ф.С. Фролова, М., Госстройиздат, 1963, 218с.