автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка конструкций соединений на нестандартных крепежных элементах для восстановления подкрановых балок с усталостными трещинами

Г б ОА

• о »чЛ1 !.,»;;)

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ АЛЕКСАНДР ВИТАЛЬЕВИЧ

АЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ СОЕДИНЕНИЙ НА НЕСТАНДАРТНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК С УСТАЛОСТНЫМИ ТРЕЩИНАМИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Пенза - 1998 г.

Работа выполнена в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

К.К. Нежданов

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

B.C. Абрашитов

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Ведущая организация "Волгостальмонтаж"

Защита состоится " ¿. " и юл О- 1998 г. в часов на засе-

дании диссертационного совета Д 064.73.01 в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 440028, г.Пенза, ул. Г. Титова, 28.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке академии.

Автореферат разослан "29_" мая 1998 года

Ученый секретарь ^ -

диссертационного совета

А.Н. Раевский

- кандидат технических наук, доцент Э.Р. Домке

канд. техн. наук, доцент

В.А. Худяков

Актуальность работы. В последние юды, в ситуации резких) сокращения капитальных вложений в промышленное строительство и коренных структурных изменений в экономике, на первый план выдвигается проблема реконструкции зданий и сооружений, необходимости поддержания в работоспособном состоянии существующего фонда металлоконструкций в отраслях, продукция которых пользуется спросом на внутреннем и международном рынках, в частности - металлургической.

В цехах металлургического производства с интенсивной эксплуатацией электрических мостовых кранов, которые являются основным технологическим оборудованием, обеспечивающим бесперебойное выполнение непрерывных технологических процессов, подкрановые балки и их узлы жестко, без какой-либо амортизации воспринимают сосредоточенные динамические подвижные воздействия от функционирующего кранового оборудования. В результате сочетания явно неблагоприятных факторов конструкционно-технологического и эксплуатационного характеров типовые металлоемкие подкрановые балки претерпевают усталостные разрушения, например, в виде трещин в верхней зоне балок, уже на ранней стадии эксплуатации (через 1...3 года), что свидетельствует о наступлении предельного состояния. Ныне на предприятиях, не имеющих соответствующих оборотных средств, технологическое оборудование стихийно и вынужденно эксплуатируется вплоть до полного исчерпания запасов живучести со всеми вероятными последствиями, в том числе и катастрофического характера. Остро обозначена проблема обеспечения технической долговечности эксплуатируемых подкрановых балок и вновь разрабатываемых, выраженная потребностью в приближении их ресурса к ресурсу других элементов каркаса производственного здания.

Повсеместно используемые сварные соединения в наиболее напряженных зонах типовых конструкций подкрановых балок априори обладают недостаточной работоспособностью по причине низкой сопротивляемости усталостным явлениям металла сварных швов и ближайших участков при характерных рабочих подвижных динамических воздействиях на конструкцию, что предопределяет и низкую эффективность существующих способов восстановления с использованием сварочных операций, тем более - осуществляемых вручную. Ремонт и замена подкрановых балок с накопленными усталостными разрушениями до недавнего времени были явлением систематическим и массовым, требовавшим значительных материальных и трудовых затрат.

Цель работы - повышение эффективности мероприятий по обеспечению долговечности и надежности конструкций подкрановых балок с соединениями на специально разра-

ботанных безрезьбовых крепежных устройствах повышенного ресурса и быстрой постановки с гарантированным качеством.

Для реализации поставленной цели предстояло решить ряд задач.

1. На основании анализа данных литературных источников, предшествующих экспериментальных и теоретических исследований:

- обобщить основные факторы низкой надежности типовых подкрановых конструкций и малой результативности существующих способов их ремонта;

- определить и сформулировать основные принципы проведения эффективных ремонг-но-восстановительных мероприятий, обеспечивающих восстановление работоспособности эксплуатируемых подкрановых балок без характерных для типовой технологии восстановления ограничений по условиям дальнейшей их эксплуатации;

- выработать критерии оценки перспективности разрабатываемых вариантов конструкций, наметить основные направления и определить способы достижения требуемых качеств перспективных конструкций;

- дать оценку соединений частей конструкции и деталей машин на стандартных заклепках и других крепежных элементах с точки зрения работоспособности при переменных сдвиговых нагрузках. Установить перспективность их использования применительно к условиям ремонта и реконструкции подкрановых балок.

2. Выработать эффективный способ надежного соединения уси лающих накладок с восстанавливаемой конструкцией подкрановой балки, накопившей в результате предшествующих воздействий усталостные повреждения, выраженные трещинами. Разработать оптимальные варианты конструктивных схем крепежных устройств и их элементов, отвечающих требованиям надежности и технологичности.

3. Исследовать вопрос использования высокоэнергетических способов образования отверстий в элементах металлоконструкций и формирования соединений пакета стальных листов.

4. Отработать основные позиции технологии усиления поврежденной усталостными трещинами сварной подкрановой балки с использованием разработанных крепежных устройств.

5. Исследовать работоспособность клепанного соединения с разработанными конструкциями безрезьбовых крепежных устройств и ожидаемого повышенного ресурса применительно к условиям испытаний на выносливость восстановленной сварной подкрановой балки в 0,5 натуральной величины с полным спектром подвижно- динамических воздействий, характерных для интенсивного режима работы мостового крана.

4

6. Разработать варианты конструкций долговечных подкрановых пугей, отвечающих современным критериям оценки их перспективности.

Научную новизну работы представлшот следующие результаты, защищаемые автором:

- критерий надежной работы соединений элементов металлоконструкций при переменных срезных нагрузках, выражаемый в необходимости беззазорного размещали стержня крепежного элемента в отверстии пакета по его высоте с преднапряжением листов пакета вокруг отверстия;

- разработанные способ и устройство для беззазорного размещения стержня крепежного элемента в отверстии пакета с приемлемым уровнем технологичности изготовления элементов крепежного устройства и соединения в целом и гарантией качества его постановки;

- высокоэнергетический способ образования отверстий в пакете стальных листов из малоуглеродистой стали толщиной, превышающий диаметр остроконечного цилиндрического пробойника;

- способ и устройство для соединения элементов несущих конструкций без предварительного образования отверстий в пакете с использованием энергии выстрела;

- средства для реализации высокоэнергетических способов подготовки и формирования соединений;

- способы и устройства для бездемонтажиого восстановления и поддержания параметров элементов подкранового пути с усталостными разрушениями в сжатое сроки и в условиях действующего основного производства;

- варианты перспективных конструкций подкранового пути, обладающего требуемым уровнем ремонтопригодности и способностью к реконструкции.

Достоверность итогов работы подтверждается результатами натурных испытаний восстановленных сварных подкрановых балок в 0,5 натуральной величины, а также решениями о выдаче ряда патентов РФ на изобретения по рассматриваемой проблематике.

Результат комплексных испытаний усиленной с использованием разработанных способа и устройства сварной подкрановой балки подвижно-динамическим воздействием, адекватным реальным воздействиям 8-ми колесного мостового крана, показал, что ее долговечность на этапе проведения испытаний с базой 3...3,2 млн. циклов нагружений возросла в 4...5 раз по сравнению с долговечность исходной новой конструкции.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты и выводы позволяют сформулировать реальные рекомендации по вопросам:

- разработки бсздемоктажной ремонгно-восстановтельной технологии для эксплуатируемых подкрановых балок с накопленными усталостными повреждениями, обеспечивающей гарантированное восстановление нх работоспособности без ограничений и издержек, свойственных существующей технологии восстановления, и в условиях действующего основного производства или реконструкции;

- разработки перспективных подкрановых конструкций.

Реализация результатов работы к настоящему времени осуществлена внедрением в учебный процесс при чтении курсов " Металлические конструкции " и "Специальный курс по металлическим конструкциям", читаемых на кафедре МиДК Пензенской ГАС А.

К сожалению, отечественная система внедрения новых разработок такова, что только 3...5 % их общего числа идет в производство. Такое положение усугубилось нынешней экономической стратегией, основной приоритет которой заключен в стимулировании получения сиюминутной выгоды...

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы нашло отражение в 13 печатных работах и докладах, на пять разработок получены решения о выдаче патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и рекомендаций; содержит^стратщ^машинописного текста,рисунков, "1£лаблиц, список литературы из наименований и .¡^.приложений.

Краткое содержание работы

Во введении приводится обобщенная оценка ведущих специалистов положения дел в подотрасли строительства, а также некоторые факты современного состояния металлоконструкций промышленных предприятии. Очевидна актуальность разработки и апробирования малозатратных конструктивных и технологических решений, позволяющих реализовать потребность в неотложных ремонгао-восстановигельных мероприятиях с гарантированным восстановлением параметров эксплуатируемых подкрановых конструкций с усталостными повреждениями.

В первой главе на основе анализа и синтеза проблемных вопросов надежности подкрановых конструкций, современных представлений о путях, способах и средствах повышения их долговечности, а также данных по эффективности соединений элементов конструкций и деталей машин с переменным циклом нагружений сформулированы основные принципы предлагаемого решения вопросов надежности подкрановых конструкций, определены задача и цели работы.

Рассмотренные работы Е.И. Белей«, В.В. Бирюлева, С.Н. Булгакова, С.Н. Беляева, К.К. Муханова, А.И.' Кикина, A.A. Васильева, Б.11. Кошутина, Б.Ю. Уварова, К.К. Нежданова, В.М. Гориинченко, В.Ф. Сабурова, RR Крылова, В.В. Ларионова, В.И. Бабкина, Б.Н. Ва-сюты, В.И. Камбарова, А.И. Киневского, A.B. Чумакова и других исследователей дают основание считать, что важнейшей проблемой надежности подкрановых конструкций остается их низкая долговечность на фоне других конструкций каркаса производственного здания с разницей по срокам эксплуатации в 5...10 раз. Особо острой проблема является для предприятий металлургии с характерным тяжелым режимом работы мостовых кранов (8К...7К).

Наименьшим ресурсом обладают сварные подкрановые балки, широко используемые в отраслях промышленности, в т. ч - металлургической. Усталостные повреждения в них Moiyr проявляться в виде трещин уже после-(0,5...0,8) 10е циклов нагружений. Около 90...95 % всех возникающих трещин сосредотачивается в верхней зоне стенки - в поясных сварных швах и прилегающих участках в продольном направлении. Эти зоны, находящиеся » непосредственной близости ог катков концевой балки крана, подвергаются значите лшым динамическим подвижным воздействиям от функционирующего кранового оборудования и претерпевают знакопеременные, многократно повторяющиеся циклы напряжений. инициирующие усталостные явления в металле элементов конструкции. Интенсивность накопления рабочих циклов нагружений может доходить до 1 млн. в год (режим эксплуатации кранов - 8К).

Массовое разрушение подкрановых балок характерно также, практически, для всех промышленно развитых стран, в т.ч. - США, ФРГ, Великобритании и т.д.

На взгляд автора, задачу эффективного восстановления параметров эксплуатируемых конструкций следует считать первостепенной и приоритетной.

Одна га главных причин преждевременных усталостных разрушений традиционно типовых сварных балок - практически неизбежное привнесение технологических дефектов -концентраторов напряжений в сварные поясные швы (непровар, окалина, шлаковые включения и проч.), которые, сочетаясь с конструктивными, резко снижают уровень работоспособности конструкции. Нельзя не учитывать и субъективный фактор. Часто явно недостаточный уровень культуры технологического исполнения непреложных норм и правил при изготовлении и эксплуатации конструкций, машин и оборудования, порой некомпетентность при отсутствии отлаженной системы контроля исполнения или невозможности таковой, усугубляют проблему надежности.

Радом ведущих ученых страны констатируется факт о невозможности изготовления бездефектных сварных подкрановых балок в условиях существующего производства и, даже с применением самой современной технологии сварки, имеют относительно низкое сопротивление усталости!

И.И. Крыловым с коллегами (Новосибирская ГАС) исследована возможность санкционированного допущеши временной доремонтной эксплуатации сварных балок при определенных шраметрах усталостных разрушений. Установлено, что скорость роста усталостной трещины нелинейно возрастает с увеличением размера трещины Ьсв, а также зависит от уровня локальных напряжений СТ|ос и частоты нагружеиия N.

Экономическая целесообразность предполагает недопущения развития трещин до пределов, когда становятся неизбежными крупномасштабные ремонгно-восстановигельные мероприятия, связанные с вынужденной заменой подкрановых путей, материалоемкость которых достигает 30...35 % общей массы каркаса!

Проблема восстановления ресурса усилением. Критериями эффективности ремонтно-восстановительных мероприятий являются достижение гарантированной работоспособности с приемлемым уровнем трудоемкости их реализации. Существующая технология восстановления. предусматривающая применение сварных соединений и операций в напряженных подвижной нагрузкой зонах конструкций, выполняемых вручную, зачастую потолочной сваркой и на высоте, не обеспечивает достижение требуемого уровня восстановленной работоспособности, т.е. малоэффективна и обречена быть таковой в силу отмеченных ранее причин, несмотря на предпринимаемые превентивные меры конструктивно-технологического характера. Новые усталостные трещины проявляются уже через несколько месяцев работы конструкции. Имеются все основания утверждать, что типовая технология восстановления в рамках малой реконструкции не способна обеспечивать потребное восстановление ресурса подкрановых конструкций с накопленными усталостными повреждениями, тем более - содействовать приближению его к уровню ресурса дру-шх элементов каркаса.

Вопросам восстановления параметров подкрановых балок посредством усиления уделялось явно слабое внимание. Рассматривались лишь вопросы усиления балок при их недостаточной несущей способности (а не утраченной) и без должного учета основного фактора усталостной прочности - решающего влияния подвижных динамических воздействий на шносливость конструкций. Разумное по замыслу конструктивное решение, выраженное увеличением нагибной жесткости верхнего пояса балки путем подкрепления его на-

клонными ламелями (О.Ф. Иванков, И.Е. Спенглер) или продольными листовыми элементами параллельно стенке (В.А. Чумаков), прикрепляемых к верхнему поясу и стенке или поперечным ребрам жесткости сварным соединением, обладает принципиальными недостатками, которые еще и усугубляются отсутствием возможности подварки корня сварных швов.

Соединения. Считается, что весьма эффективными являются соединения на фрикционных болтах, которые обеспечивают высокую сдвигоустойчивость и относительно технологичны. Однако, при испытаниях на выносливость балок с соединениями на таких болтах имели место факты появления усталостных трещин от кромок отверстий и их развитие, а также хрупкое разрушение стержней части болтов в местах концентрации напряжений. Известна надежная работа клепанных соединений при переменной сдвиговой нагрузке. Однако, они обладают существенными недостатками технологического характера. Отсюда прослеживается потребность в разработке соединений, обладающих функциональной надежностью при переменных сдвиговых нагрузках и приемлемым уровнем технологичности.

Основными направлениями предлагаемого решения по восстановлению работоспособности конструкций с усталостным состоянием металла и накопленными усталостными повреждениями в результате подвижно - динамических воздействий являются.

1. Полное исключение сварочных операций и соединений из состава ремонтно-восстановительных мероприятий.

2. Отработка конструктивно-технологических решений по мерам локализации и нейтрализации влияния явных, скрытых (невыявленных) и потенциально возможных усталостных разрушений на работоспособность конструкции посредством заключения в замкнутую полость повреждаемой части стенки, которая формируется постановкой вдоль верхнего пояса симметричных стенке усиляющих элементов - накладок с отбортованными участками для их прикрепления к поясу и стенке в слабонагруженных участках конструкции с использованием эффективных соединений.. В результате - силовые потоки подвижно-динамических возмущений, инициируемые катками функционирующего крана, перераспределяются, разделяясь на три, один из которых передается на примыкающую к поясу участок стенки с усталостным состоянием металла с меньшей интенсивностью, нежели без накладок, с соответствующим понижением уровня локальных напряжений О|0С в этих участках.

3. Разработка и апробирование высокоресурсных срезных соединений с минимизацией уровней трудоемкости изготовления крепежных элементов и формирования соединений.

4. Отработка вопросов бездемокгажиого проведения восстановительных работ в условиях действующего основного производства, в том числе - высокопроизводительных технологических приемов и способов с использованием энергии выстрела.

Проведенные исследования дают основание и для формулировки приоритетных направлений, принципов и способов для разработки перспективных подкрановых конструкций'.

создание конструкций с прогнозируемым сроком функционирования (гарантированным ресурсом) составных элементов;

- отработка мер противодействия и защиты от первичных рабочих воздействий интенсивного динамического характера, например, посредством придания амортизирующей способности элементам конструкции, упругой податливости;

- разработка конструктивных форм, обладающих приспособленностью к реконструкции и повышенной ремонтопригодностью с приемлемым уровнем трудоемкости эксплуатации и восстановления.

Во второй главе дана характеристика соединений металлоконструкций и деталей машин на стандартных типовых заклепках с точки зрения влияния технологических и конструктивных факторов на функциональную надежность, в первую очередь - при сдвиговых переменных нагрузках. Это связано с потребностью выработки подходов и критериев по разработке крепежных устройств для соединения усиляющих элементов к восстанавливаемой конструкции с достаточным уровнем гарантированного ресурса формируемых соединений при характерном режиме нагружения.

В машиностроении для соединений с высокими требованиями к эксплуатационной надежности в высокопрочных срезных соединениях, регламентируемых по ресурсу, успешно используются стандартные заклепки повышенной точности. В производстве строительных конструкций соединения на подобных заклепках применения не имеют, так как реализовать способ фактически беззазорной посадки стержня заклепки с диапазоном диаметров 12...27 мм, использующихся в строительных металлоконструкциях, крайне затруднительно и практически неосуществимо. Таким образом, использование известного эффективного способа достижения эксплуатационной надежности срезных соединений является невозможным.

Соединения металлоконструкций на заклепках нормальной точности класса В, наряду с достаточно удовлетворительной работоспособностью при циклическом нагружентш, не обладают стабильным и гарантированным качеством изготовления. Это свойство, в сочетании с высокой трудоемкостью и потребностью в специальном технологическом оборудовании (основной проблемный фактор технологического характера), не позволяет применить такие соединения в условиях неспециализированного производства, т.е. - использование стандартных типовых клепанных соединений в условиях ремонта и реконструкции неприемлемо и на сегодняшний день можно считать неперспективным.

Перспективным для данных условий может считаться способ холодного деформирования элементов соединения, обеспечивающий беззазорное размещение стержня крепежного элемента, или близкое к этому, что наделяет клепанные соединения свойствами функциональной надежности. Более того - упругопластическое холодное деформирование дает возможность для однозначно беззазорного размещения стержня в отверстии пакета с плотным заполнением всего его объема и создания натяга с преднапряжешем металла листов пакета вокруг отверстия. Такое размещение должно способствовать предотвращению вероятного возникновения опасных усталостных разрушений в частях конструкции, проявляющихся в виде трещин от отверстий с дальнейшим расширением фронта своего развития.

Реализация перспективного способа достигается посредством использования соответствующего устройства, состоящего, например, из пустотелой заклепки и сердечника.

Прямая целесообразность обеспечения натяга, как одного из наиболее эффективных способов существенного повышали сопротивления усталости соединений, отмечается рядом отечественных и зарубежных специалистов по данной проблеме. Посадка крепежных элементов (болтов) в отверстие пакета с радиальным упругопластическим натягом до 0,8...1,2 % позволяет повысить выносливость срезных соединений в 2...4 раза. Однако, практическая реализация таких натягов при диаметрах стержня свыше 8 мм весьма затруднена, а свыше 10 мм - технологически не представляется возможной.

Третья глава посвящена разработке конструкции заклепки с сердечником для соединения пакета стальных листов с конечной целью - достижение оптимальных функциональных и технологических качеств разрабатываемой конструкции двухэлементного безрезьбового крепежного устройства для надежного прикрепления усилякяцих элементов -накладок к поврежденной несущей конструкции - подкрановой балке с трещинами в верхней части ее стенки.

Практическая разработка крепежного устройства реализовывалась для соединения уси-ляющих накладок из стали С255 (С285) к верхнему поясу и стенке сварной двутавровой подкрановой балки из стали 09Г2 с габаритными размером в 0,5 натуральной величины, имеющей характерные усталостные трепршы в верхнем поясном шве. Диаметр отверстий в пакетах скрепляемых листов для размещения стержней крепежных элементов составил 10 мм.

Основной замысел. Используя методы холодной обработки металлов давлением, в частности - повышенные пластические его свойства при определенных напряженном состоянии и механической схеме деформирования, осуществить холодную клепку соединения пакета стальных листов с беззазорным размещением составного стержня заклепки в отверстии пакета с созданием натяга.

Клепка производится путем внедрения впрессовыванием сердечника с определенным натягом в отверстие пустотелой заклепки, предварительно вставленной с определенным зазором в отверстие сформированного пакета и поддерживаемой упором с противоположной стороны, в результате чего происходит радиальный распор стенок втулки изнутри, выборка постановочных зазоров по толщине пакета и создания преднапряжения в металле листов. При этом происходит самозакрепление сердечника в соединении благодаря силам контактного давления, а также формирование замыкающей головки составной заклепки.

Определяющими условиями достижения цели разработки, требующие безусловного выполнения в едином комплексе, являются:

- гарантированный уровень полной выборки постановочных зазоров при всех вероятных сочетаниях действительных размеров диаметров сопрягаемых поверхностей втулки и отверстия пакета;

обеспечите надежного защемления расклинивающего конструктивно-технологического элемента - сердечника в сформированном соединении, т.е. неразбор-ность соединения при характерном его нагружении;

- значения величин усилий запрессовки должно находиться в приемлемых пределах;

- уровень технологичности изготовления соединения: и его элементов должен соответствовать возможностям проведения восстановительных работ.

Эти условия являются признаками технологической эффективности, разработки. Их выполнение предполагает назначение соответствующих исходных параметров - материалов заклепки-втулки и сердечника, размеров, определение потребных зазоров и натягов,

оценку напряженно-деформированного состояния элементов соединения при данных параметрах соединения (рис.1).

Втулка, как элемент пустотелой заклепки, в сформированном соединении представляет из себя толстостенный цилиндр, находящийся под действием внутреннего и наружного давлений. Вследствие осевой симметрии цилиндра и нагрузок напряжения и деформации в цилиндре также будут симметричными во всех диаметральных сечениях.

Соединение сердечник - втулка. Их взаимная неподвижность, при определенных материалах и размерах диаметров, обеспечивается средним контактным давлением и состоянием контактирующих поверхностей, отражая связь внутренних и внешних факторов, рп=(К3к)/(цтш1Л), где рд - номинальное контактное давление (напряжение) на сопрягаемых поверхностях; Р3 - усилие запрессовки; к - коэффициент сцепления, учитывающий возможное рассеивание значений коэффициента трения Цт , погрешности форм и другие факторы, ослабляющие сцепление; для соединений не подвергающихся изгибу к=1,5...2 (И.А. Биргер); А= яШ - площадь поверхности сопряжения; (1 -диаметр сердечника; 1-длнна контакта сопряжения, равная толщине пакета.

Рис.1. Упрощенная схема размещения 2-х элементного крепежного устройства в отверстии пакета пластин; (

1 - сердечник, 2 - втулка, 3 - пакет листов, (] - диаметр сердечника, с12 - наружный диаметр втулки, О - внутренний диаметр втулки, 1>2 - диаметр отверстия в пакете, и - толщина пакета листов, К, - усилие запрессовки

Связь контактных давлений с геометрическими параметрами соединения - величиной натяга и толщиной стенки втулки дает известная зависимость Ламе для толстостенных полых цилиндров, которая, в результате преобразований для сердечника цельного сечения и равнозначных материалов (Ei=E2-E; ц1=ц2=ц), приобретает вид: р„-- 0,5Е (N!/d)[l - (d / d2 )2].

Основным критерием выбора диаметра сердечника служит соотношение тонкосгенно-сти (d/d2), которому при определимом значении натяга (N) соответствуют различные значения давлений в соединении. Из условия неразъемное™ соединения определена (Е.С. Гречшцев) область оптимальных соотношений тонкостенности: d/d2 - 0,5—0,8. Натяг вызывает в сечениях сопряженных элементов радиальные стг и тангенциальные (окружные) ot напряжения. Наибольшие напряжения возникают на сопрягаемых поверхностях ссрдечни-каивтулки: crrnm = -pn; ст1тоях = Pn [(d2 / d)2 + 1] / [(dj / d)2 - 1].

Условие отсутствия пластических деформаций по теории максимальных касательных напряжений: аэкв = at - сгг = 2pn / [1 - (d / d. f ] -г пт.

Таким образом, уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) соединения определяете» соотношением значений конкретных параметров p„=f [(d/d2); (N/d); ОпД выявление влияния которых на выполнение требований явились предметом последующих исследований.

Для втулки рассматривалось использование стали различной прочности (C2S5, С285, С345), что позволило моделировать уровень ее НДС при одинаковых величинах зазоров и натягов. Для сердечника принята сталь 45 с упрочняющей термообработкой, что исключает возникновение пластических деформаций его сечений. При этом, значение (d/d2) = 0,6; 0.7; 0,8.определялась изменением величины диаметра сердечника (d).

Использование стандартных посадок. Исследование показало, что крепежное устройство, состоящее из пустотелой заклепки, предварительно вставленной в подготовленное отверстие пакета по переходной посадке Н/к8 и сердечника, впрессованного в полый стержень этой заклепки по посадкам с натягом H8/(u8, х8, z8) для его радиального распора, гарантированно обеспечивает беззазорное размещение составного стержня в отверстии пакета. При этом, по всему сечению втулки имеют место только пластические деформации, за малым исключением. Однако параметры точности исполнения сопрягаемых размеров (ГИ..ЛТ8), необходимость выполнения строгой центровки деталей при сборке соединения наделяют конструкцию такого крепежного устройства свойства явной нетехнологичности и делают его неприемлемым для соединения частей металлических конструкций.

Решение проблемы повышения технологичности конструкции реализовано путем расширения полей допусков диаметров валов - допуск диаметра сердечника Та = 150 мкм, -наружного диаметра втулки Таз =150 мкм, что соответствует 12-му квалитету точности. Понижение параметров точности - в 150/22 = 6,8 раза (где 22 мкм составляет значение величины допуска, соответствующего 8-му квалигету при использовании стандартных посадок 8u...8z). Точность исполнения диаметров отверстий пакета и втулки понижена до 119, что без особого затруднения обеспечивается использованием мерного режущего инструмента типа развертки (Тщ = То = 36 мкм). Сочетание рационального размещения расширенных полей допусков валов относительно нулевых линий с одной стороны, и с другой -применение метода селективной сборки сердечника со втулкой (или метода групповой

взаимозаменяемости), позволило успешно формировать соединение с гарантированным размещением составного стержня заклепки в отверстии пакета.

Следующим эффективным приемом формирования соединения явилась постановка полого стержня заклепки-втулки в отверстие пакета в сборе с сердечником, предварительно частично запрессованным в отверстие заклепки в соответствии с рациональным сочетанием размерных групп действительных размеров сопряжения. Это сразу решает ряд технологических вопросов, обеспечивая - подачу деталей на сборку с заранее определенной и зафиксированной парностью, начальную центровку при запрессовке, плотную постановку стержня заклепки в отверстие пакета, размещение смазки для облегчения запрессовки, -все это способствует снижению трудоемкости монтажной сборки с одновременным повышением качества, делая ее менее зависимой от субъективного фактора.

Потребное преднапряжение металла листов пакета вокруг листов отверстия по его толщине обеспечивается посредством воздействия наружной поверхности упрочненного стержня заклепки на стенку отверстия после выборки постановочных зазоров. При несвободном деформировании втулки в процессе запрессовки сердечника с большими натягами и превышении напряжениями предела текучести, втулка начинает деформироваться пластически, упрочняясь при этом. Физическая величина - сопротивление пластической деформации или "напряжение течения" (<т8) является нелинейной функцией степе™ деформации (Б), использование которой в практических целях затруднено. Однако, при относительно небольших степенях деформации (5...8 %), сопротивление материала считается величиной постоянной во всем очаге деформирования. Использование эмпирической зависимости о8= -245 +784С +353е0,23 ("С" -содержание углерода в %) в проверочных расчетах дало вполне удовлетворительную сходимость (5...8 %) с экспериментальными характеристиками упрочнения металла при холодной пластической деформации (В.Х. Кроха).

Запрессовка может производится по схемам сжатия и растяжения. При использовании схемы растяжения во втулке действуют растягивающие напряжения ог , направление перемещения деформируемого металла и сердечника совпадают, что уменьшает силы трения между поверхностями втулки и стенкой отверстия по сравнению со схемой сжатия. Однако, растягивающие напряжения снижают способность металла втулки к интенсивной пластической деформации, что делает схему сжатия явно предпочтительной при использовании деталей с расширенными полями допусков. Такая схема позволяет деформировать

втулку, выполненную как из пластичных металлов, так и ю металлов с пониженной пластичностью (ковкий чугун, силумин, высоколегированные стали и проч.).

Усилие запрессовки К, =Т [с5; Л1-, (d2/d); (N7(1); а; ц.т] определялось по расчетным зависимостям, апробированных в технологии холодной обработки металлов давлением с соответствующими преобразованиями. Выражение деформирующей силы минимизируется по углу заходного конуса сердечника ос с получением оптимальных их значений, при которых сила является наименьшей. Расчетные значения величин усилий имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными, полученных запрессовкой сердечников на прессах в лабораторных условиях (6... 12 %).

Фактор трения. Сила трения при запрессовке сердечника зависит от механических свойств элементов, условий запрессовки (скорости нагружения, вида трения, геометрии сердечника), удельного давления, состояния сопрягаемых поверхностей, т.е. коэффициент трения ¿1т может колебаться в широких пределах, в зависимости от конкретных условий. Параметр шероховатости рабочих поверхностей сердечника установлен Яа = 0,8 икм, достигаемый полировкой. Смазка контактных поверхностей, являясь важным технологическим и конструктивным элементом соединения, определяет вид трения, снижает усилие прессования. В разработанном соединении использовалась смазка, состоящая из снеси машинного масла с графитом.

Конструктивное оформление элементов крепежного устройства касается в основном вопросов формирования замыкающей головки и обеспечения гарантированного стопоре-ния сердечника во втулке при самых неблагоприятных условиях эксплуатации. Образование замыкающей головки производится посредством раздачи (развальцовки) выступающей за плоскость пакета части втулки головкой сердечника по завершению распора втулки или на конечном этапе.

Предусмотрено несколько вариантов заделки сердечника в соединении - с использованием кольцевых канавок на рабочей части сердечника; стопорение обжатием в закладной головке заклепки, имеющей кольцевую бобышку и осаживанием части объема металла в контровочную канавку сердечника вблизи заходного конуса; запирание во втулке по конусному участку сердечника, сопряженного с его головкой. Меры по снижению эффективных коэффициентов концентрации напряжений - изготовление разгружающих фасок, выточек, подрезов.

Таким образом, данное крепежное устройство отвечает требованиям к разработке, а следовательно - обладает признаками технологической эффективности.

На рис.2, 3 показаны изменения технологических параметров и процесс формирования соединения.

_Таблица

Исходные параметры соединения

Номинальный диаметр сердечника, (1п,ММ Внутренний диаметр втулки, средний, Оф, мм Относительная толщина стенки, т=ч12пЛ1п Относительный натяг, ^НгрМср Средняя степень деформации, е, % Напряжешь течения, оя, МПа

7,000 7,018 1,43 0,0353 4,19 403

Расчетные параметры при коэффициентах трения, (Ху

0,1 0,12 0,15 0,18 0,20

Оптимальный угол, des, рад/град 0,1220/7°,0 0,1336/7°,б 0,1494/8°,6 0,1637/9°,4 0,1725/9°,9

орао> рад/град 0,1174/6°,7 0,1286/7°, 4 0,1438/8°,2 0,1575/9°,0 0,1661/9°,5

Усилие запрессов-MtFoK, гН 1561 1847 2273 2697 2979

Грает,, гН 1378 Î629 2003 2377 2624

^■"-Усилзапр

Рсж,Н <—Fpaci.H

> — Опт. угол,а сж, рад

Цт

Рис. 2. Данные основных исходных параметров соединения и расчетные значения усилия запрессовки по схемам сжатия и растяжения (Ь'сж ,Р раст) при оптимальных углах за-ходного конуса сердечника а в зависимости от изменения коэффициента трения для крепежного устройства с диаметром сердечника (1 = 7 мм______

Рис.3. Формирование соединения при относительной тонкостенности (1/т);-(с1Г1 / ¿2^=0,7; показано: -первоначальная постановка элементов в отверстии пакета в состоянии поставки; -запрессовка сердечника; - формирование замыкающей головки и запирание сердечника в закладной головке заклепки-втулки__

Четвертая глава. Рассматриваются вопросы использования высокоэнергетичеекого способа образования отверстий в металлоконструкциях и формирования соединений элементов несущих конструкций без предварительного образования отверстий в пакете сиспользованием энергии выстрела.

Существующий прогрессивный способ образования отверстий продавливанием на прессах обладает рядом существенных недостатков: 1) невозможность его применения в смонтированных конструкциях и для пакета листов; 2) диаметр отверстия d не может быть меньше толщины t листа (условие d/t > 1); 3) низкое качество пробитых отверстий; 4) ограниченность в толщине листов из высокопрочной стали - при ог > 600 МПа t<10 мм, а при Ов й 1200 МПа - продавливание неосуществимо. Эти проблемы решаемы при использовании энергии выстрела в технологических целях.

Использование энергии выстрела для сообщения пробойнику определенного запаса кинетической энергии обеспечивает высокое локальное направленное импульсное воздействие на элементы конструкции, прошивание (прокол) листа или пакета листов пробойником с образованием отверстия в нем. Использование массивного пуансона с плоской рабочей частью, метаемого пиротехнической установкой с достаточной скоростью (V > SO...ISO м/с) в направлении пробиваемого стального листа, который поддерживается матрицей, обеспечивает решение 3 и 4-й проблемы. При этом, качество отверстия позволяет использование болтов или заклепок без предварительной его подготовки. Использование компактного цилиндрического пробойника с заостренной рабочей частью, метаемого с

достаточной кинетической энергией, обеспечивает решение 1 и 2-й проблемы.

Определение потребных энергетических характеристик заостренного пробойника (рис.4).

.Рис.4. Пробитие пакета листов заостренным пробойником

Необходимая и достаточная скорость встречи Vc пробойника массой m для сквозного

пробитая и образования отверстия в пакетах толщиной до 2d, составленных из одинаковых листов из стали C24S, определялась опытным и расчетным путями с сопоставлением результатов. Исследованы ряд методик расчета пробивной способности заостренного про-

И; арабка

tn I

бойника с определением необходимых коэффициентов, характеризующих механические свойства данной стали при импульсном локальном воздействии.

________________ Близкая сходимость (до 3...5 %) опытных и расчетных данных дает основание рассматривать пакет, составленный из стальных листов, скрепленных болтами, как монолитный лист такой же тол-| щины. Графическое изображение зависимостей

Рис.5. Зависимости потребных энергетических затрат для образования отверстий заостренный пробойником в пакете листов из стали С255

Ус=1'(ш) представлено на рис.5. При этом использовалась методика, в которой принято допущение, что сопротивление прониканию пробойника постоянно и пропорционально площади поперечного сечения пробойника, Р = к27т<12/4 , где к2 -определенный экспериментально коэффициент сопротивляемости данной среда.

Способ и устройство для неподвижного соединения металлических элементов. Одним из важных достоинств способа образования отверстий с использованием энергии выстрела явмется автономность привода пиротехнического устройства, его самодостаточность и независимость от наличия и местстихождения традиционных источников энергии. Применяя разработанную конструкцию заклепки с сердечником и экспериментально выверенные возможности использования энергии выстрела для образования отверстий, автором, совместно с коллегами, изобретены способ и устройство по формированию соединений металлических элементов несущих конструкций, не имеющих заранее образованных и подготовленных совмещенных отверстий в пакете скрепляемых элементов (решение о выдаче

патента). Максимальный эффект проявляется в условиях затруднения или невозможности использования другах способов соединения, при этом - не должно происходить заметного снижения уровня надежности, работоспособности металлоконструкции при характерных рабочих нагрузках (Рис.6).

Пятая глава посвящена вопросам проведения работ по восстановлению работоспособности поврежденной рядом усталостных трещин вдоль верхнего пояса длиной по 50... 100 мм сварной двутавровой балки из сгали 09Г2 в 0,5 натуральной величины

Рис.6. Способ соединения металлических элементов:

1 - заклепка-втулка; 2 - заостренный пробойник с хвостовиком, 3 - сердечник; 4 -пакет элементов; 5 -упор_________

(габарит, мм - 3000x416x150, пояса по 150x8, стенка 400x5, поперечные ребра жесткости по 6 мм с шагом 500 мм) с использованием разработанных, изготовленных и подготовленных конструкций безрезьбовых 2-х элементных крепежных устройств (заклепок с сердечником) для прикрепления наклонных уешяющих накладок в поврежденных зонах конструкции (рис.7) Промежуточные ребра жесткости срезались.

Основным содержанием главы является исследование работоспособности клепанного соединения с разработанными конструкциями заклепок с сердечником ожидаемого повышенного ресурса применительно к условиям испытаний на выносливость восстановленной конструкции с использованием испытательного стецда и отработанной методики усталостных испытаний, разработанных ранее проф. К.К. Неждановым в ПензГАСА. Стенд способен имитировать полный спектр подвижно-динамических воздействий на подкрановую конструкцию, адекватных таковым при функционировании 8-ми колесного мостового электрического крана с интенсивным режимом работы (8К..7К) и позволяет проводить длительные усталостные испытания подкрановых балок до исчерпания ресурса по усталостной прочности на базе 2...10 млн. циклов нагружений и выше. Параметры режима испытаний: подвижно-вертикальное воздействие на одно колесо нагрузочных тележек Р[0С = 400 гН (4000 кгс); подвижно-горизонтальное - 'Аос = 40 гН (400 кгс); подвижный крутящий момент М4*)« = 600 гНсм. В итоге проводимых усталостных испытаний восстановленной конструкции на базе 3...3,2 млн. циклов нагружений получены следующие результаты:

- в сечениях усиленных балок новые усталостные трещины не проявились; - отсутствуют какие-либо повреждения элементов соединения, а также признаки их ослабления; -изначальные усталостные трещины из замкнутых накладками зон не вышли; - ресурс испытываемой конструкции на базе 3...3,2 млн. циклов не исчерпан, - долговечность восстановленных балок недостигнутом этапе испытаний возросла в 4...5 раз по сравнению с исходной новой. Предшествующие испытания конструкции исходного сечения на данном

стенде и аналопгшых режимах нагружения выявили предел долговечности по критерию трещиностойкости в диапазоне 0,75...0,85 млн. циклов.

Вывод. Крепежные устройства, специально разработанные для соединения усиляющих элементов к поврежденной металлоконструкции в целях восстановления ее ресурса обладают достаточной выносливостью и работоспособностью при переменных срезных нагрузках. Имеются основания говорить о достижении эффективности разработанных крепежных устройств по критерию функциональной надежности наряду с эффективностью технологической.

Шестая глава содержит описания 3-х разработок перспективных подкрановых путей, в конструктивных и технологических решениях которых реализованы приоритетные направления, принципы и способы достижения долговечности конструкций, указанных в 1-й главе. На две из них имеются решения по выдаче патентов РФ на изобретения. Кроме этого в главе даны описания двух разработок по актуальной проблеме реконструкции подкрановых путей, на одну из которых также получено решение на выдачу патента.

На основании положительных результатов исследований по способу восстановления работоспособности конструкций с усталостными разрушениями и отработки проблемных вопросов бездемонтажного проведения восстановительных работ в условиях действующего основного производства разработан способ восстановления и поддержания функцио-нашьных параметров подкрановых путей в минимально сжатые сроки без замены поврежденных конструкций. Задач решена путем обеспечения доступности к поврежденным участкам для проведения эффективных и апробированных ремотно-воссгановигельных операций с использованием разработанных и существующих крепежных элементов повышенного ресурса, а также - высокопроизводительного технологического оборудования.

Выводы

1. Решение приоритетной задачи в отношении малозатратного и эффективного восстановления рабочих параметров наиболее повреждаемых элементов каркаса производственного здания - подкрановых конструкций - проблематично при использовании имеющихся вариантов технологии ремонта и реконструкции. Они малоэффективны и не способны обеспечивать требуемый уровень восстановления ресурса поврежденных конструкций с усталостным состоянием металла, в итоге - зачастую производится вынужденная их замена с соответствующими значительными издержками.

1. Проблема гарантированного восстановления работоспособности подкрановых балок с усталоспгыми трещинами в характерных зонах решаема при использовании разработан-

ного малозатратного способа, который успешно апробирован на моделях поврежденных конструкций в 0,5 натуральной величины с полным спектром нагрузок, адекватных работе мостовых кранов режима 8К...7К.

3. Гарантированное восстановление ресурса достигнуто реализацией следующих конструктивно-технологических решений:

• локализация и нейтрализация усталостных повреждений, выраженных трещинами в характерных зонах конструкции посредством заключения таких зон в замкнутую полость, формируемой постановкой симметричных относительно стенки продольных накладок, в результате чего уровень локальных напряжений от подвижно- сосредоточенной нагрузки -О1ос в верхней части стенки (в поврежденных зонах ) существенно снижается и дальнейшее развитие трещин тормозится или прекращается;

» прикрепление накладок к поврежденной конструкции на высокоресурсных крепежных элементах быстрой постановки и с гарантированным качеством, в том числе - и за счет снижения зависимости технологии формирования соединения от негативного влияния субъективного фактора.

4. Надежная работа соединений восстановленной подкрановой балки с использованием специально разработанных 2-х элемештшх безрезьбовых крепежных устройств обеспечена 1 араншрованным беззазорным размещением составного стержня полой заклепки в отверстии пакета с преднапряжением металла листов вокруг отверстия.

5. Уровни трудоемкости монгажно-сборочных операций и технологичности элементов крепежного устройства позволяют их производство в условиях ремонта и реконструкции с перспективой последующего снижения этих уровней.

6. Эффективность ремокгао-восстановигелкных мероприятий обеспечивается и за счет возможности их проведения на недемонтируемых подкрановых балках без длительного и убыточного прерывания основного производственного процесса, что достигается размещением производительного технологического оборудования та специальных площадках мостового крана. !

7. Использование энергии выстрела в технологических целях способствует существенному снижению уровня трудоемкости изготовления соединений несущих конструкций в самых неблагоприятных условиях ремонта и реконструкции с использованием прогрессивных крепежных изделий.

8. Разработка нового для металлоконструкций вида соединения позволяет разрабатывать перспективные подкрановые конструкции повышенного и гарантированного ресурса,

а также отказаться от применения сварных соединений в других конструкциях с интенсивно-переменными рабочими воздействиями без возрастания стоимости их изготовления.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Нежданов К.К., Васильев A.B., Калмыков В.А. Способ и устройство для неподвижного соединения металлических элементов Решение о выдаче патента РФ №95107621/28 (013248) от 02.9.1997.

2. Нежданов К.К. Васильев A.B. Трехглавый амортизирующий рельсовый путь. Решение о выдаче патента РФ №95109257/11 (016152), приоритет от 05.6.1995.

3. Нежданов К.К., Васильев A.B. Четырехглавый составной подкрановый пуп,. Решение о выдаче патента РФ №95109258/11 (016153), приоритет от 05.6.1995.

4. Нежданов К.К., Васильев A.B. Способ и устройство для усиления подкранового пути. Решение о выдаче патента РФ №94026069/28 (026081), приоритет от 15.7.1994.

5. Нежданов К.К., Васильев A.B. Зетобразный профиль и способ его изготовления. Решение о выдаче патента РФ №95107621/28 (013248) от 02.9.1997.

6. Нежданов К.К., Васильев A.B., Романовский Б.В. Проблема восстановления эксплуатационных параметров подкрановых балок с усталостными трещинами // Доклад на международной научн. техн. конф. "Точность автоматизированных производств", Пенз.ГТУ- Пенза, 06. 1997.

7. Нежданов К.К., Тамбовцев E.H., Васильев A.B. Особенности развития подкрановых конструкций // Сб. тр. международной конф. "Теория и практика металлических конструкции" Донецк-Макеевка - 12.1997, Т.2.

S. Васильев A.B. К вопросу эффективности использования машин с пиротехническим приводом //Тез. докл. XXVEQ науч. техн. конф. Пенз. ГАСА - 03.1995.

9. Васильев A.B. Обоснование потребности альтернативной технологии ремонта // Тез. докл. XXIX науч. техн. конф. Пенз. ГАСА - 03.1997.

10. Васильев A.B. Основные принципы альтернативных вариантов ремонта сварных подкрановых балок //Тез. докл. XXIX науч. техн. конф. Пенз. ГАСА - 03.1997.

11. Васильев A.B. Способы прикрепления дополнительных элементов к несущей конструкции //Тез. докл. XXIX науч. техн. конф. Пенз. ГАСА - 03.1997.

12. Васильев A.B. К разработке соединений с нестандартными крепежными элементами //Тез. докл. XXIX науч. техн. конф. Пенз. ГАСА - 03.1997.

13. Нежданов К.К., Васильев A.B., Тамбовцев E.H. Способ и устройство для усиления подкранового пути / Пенз, ЦНТИ, информ. листок № 18-95.

14. Нежданов К.К., Васильев A.B., Тамбовцев E.H. Узловое соединение подкранового пути с колоннами / Пенз. ЩГЩ информ. листок № 10-95.

15. Васильев A.B. Образование отверстий в пакете стальных листов пробойником, метаемого выстрелом / Пенз. ЦНТИ, информ. листок № 32-%.

16. Нежданов К.К., Васильев A.B. Трехглавый амортизирующий рельсовый путь / Пенз.ЦНТИ, информ. листок №14-97.

17. Нежданов К.К., Васильев A.B. Четырехглавый составной подкрановый путь / Пенз. ЦНТИ, инфом. листок Ks 20-97.

18. Нежданов К.К., Абрашитов B.C., Васильев A.B. Способ монтажного соединения элементов металлических конструкций / Пего. ЦНТИ, информ. листок № 74 - 98.

ВАСИЛЬЕВ АЛЕКСАНДР ВИТАЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ СОЕДИНЕНИЙ НА НЕСТАНДАРТНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК С УСТАЛОСТНЫМИ ТРЕЩИНАМИ Специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ЛР К? 020454 от 25.04.97. Подписано в печать 28.05.98. Формат 60x84/16. Бумага офсетная № 2. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 257

Издательство ПГАСА. Отпечатано в цехе оперативной полиграфии ПГАСА. 440028, г.Пенза, ул. Г.Титова, 28.