рельсобалочная конструкция

Классы МПК:B66C6/00 Балки и прочие опорные конструкции для подкрановых путей к кранам
B66C7/08 конструктивные особенности рельсов подкрановых путей или арматура рельсов
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Пензенская государственная архитектурно-строительная академия
Приоритеты:
подача заявки:
2000-07-19
публикация патента:

Изобретение относится к рельсовым транспортным конструкциям, преимущественно с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации. Рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом, трехглавый рельс, тормозную балку и две затяжки. Подкрановая балка состоит из верхнего пояса, выполненного из трубы эллиптического профиля и ориентированного большим диаметром вертикально, стенки и нижнего пояса. Трехглавый рельс состоит из основной главы, подошвы эллиптического или параболического профиля и двух боковых глав. Основная глава рельса воспринимает вертикальные воздействия от основных колес крана, а боковые главы воспринимают горизонтальные воздействия от направляющих роликов крана. Тормозная балка состоит из горизонтального листа и внешнего пояса. На подкрановой балке установлен трехглавый рельс, который копирует своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса и охватывает верхний пояс снаружи. Трехглавый рельс соединен с верхним поясом в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжек. Сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси. Технический результат изобретения - повышение долговечности и снижение материалоемкости рельсобалочной конструкции. 3 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

Формула изобретения

Рельсобалочная конструкция, содержащая подкрановую балку с трубчатым верхним поясом и установленным на ней трехглавым рельсом, копирующим своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса, охватывающим верхний пояс снаружи и соединенный с ним в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжек, отличающаяся тем, что верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально, причем сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рельсовым транспортным конструкциям, преимущественно к подкрановым с интенсивным тяжелым режимом эксплуатации 8К, 7К, например, на комбинате черной и цветной металлургии.

Известна подкрановая балка [1, с. 257], содержащая верхний пояс, стенку и нижний пояс, выполненные из листовой стали. Принимаем известное решение за аналог. Недостатки аналога: низкая долговечность [2, с. 126] и значительная материалоемкость.

За прототип примем патент RU 981 12777, 10.04.2000, в котором описана подкрановая конструкция, содержащая подкрановую балку, с трубчатым верхним поясом и установленным на ней трехглавым рельсом, копирующим своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса, охватывающим верхний пояс снаружи и соединенный с ним в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжки.

Технический результат изобретения - повышение долговечности и снижение материалоемкости рельсобалочной конструкции.

Технический результат достигнут тем, что рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку с трубчатым верхним поясом и установленным на ней трехглавым рельсом, копирующим своей подошвой внешнюю поверхность верхнего пояса, охватывающим верхний пояс снаружи и соединенный с ним в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими роль затяжек. Верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально, причем сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

Верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально, причем сечение рельсобалочной конструкции сбалансировано относительно главной горизонтальной оси.

Балансировка рельсобалочной конструкции обеспечена равенством статических моментов верхней и нижней половин сечения относительно главной оси х

S = S (1)

где SХв, и SХн - статические моменты верхней и нижней половин сечения.

Сопоставление с аналогом показывает существенные отличия разработанной конструкции:

Верхний пояс подкрановой балки выполнен из трубы эллиптического профиля, ориентированной большим диаметром вертикально. Благодаря этому выше нейтральной оси балки плоская стенка заменена на замкнутый полый профиль, отлично работающий в сжатой части рельсобалочной конструкции. Устойчивость поверхности обеспечена без каких-либо ребер.

Верхний пояс подкрановой балки может быть выполнен из трубы параболического профиля, образованной из двух параболических арок, соединенных друг с другом пятами.

Подошва трехглавого рельса копирует внешнюю поверхность эллиптической или параболической трубы, охватывает ее снаружи и соединена с ней в единое целое шпильками, пронизывающими трубчатое сечение насквозь и выполняющими функции затяжки эллиптической или параболистической арки, причем затяжки самонапрягающиеся. При прохождении колеса крана над затяжкой усилие растяжения в ней возрастает и следовательно, фрикционные усилия между рельсом и трубой также возрастают и пpепятствуют проскальзыванию рельса.

Все сечение сбалансировано, то есть статические моменты верхней и нижней частей сечения равны.

Равенство статических моментов приводит к равенству моментов сопротивления верхней и нижней частей сечения

W = W,

что приводит к снижению материалоемкости на 24,5 %.

На фиг. 1 показано сечение рельсобалочной конструкции; на фиг.2 - вид сбоку, в зоне стыка, торцы балок фрезерованы и плотно подогнаны друг к другу. Рельс перекрывает стык балок, превращая конструкцию в неразрезную (колонна условно не показана). На фиг.3 показано опорное ребро.

Рельсобалочная конструкция содержит трехглавый рельс 1 эллиптического профиля, подкрановую балку 2, тормозную балку 3, две затяжки 4, заклепки с внедряемым сердечником 5 и опорное ребро из двух уголков 6.

Трехглавый рельс 1 в свою очередь состоит из основной главы а, воспринимающей вертикальные воздействия Р от основных колес крана, подошвы в эллиптического профиля, двух боковых глав с, воспринимающих горизонтальные тормозные силы Т от направляющих роликов крана (Т приложена к одном из боковых глав).

Подкрановая балка 2 состоит из верхнего трубчатого пояса d эллиптического профиля, ориентированного большим диаметром вертикально, стенки i и нижнего пояса f балки.

Тормозная балка 3 состоит из горизонтального листа m и внешнего пояса к.

Трехглавый рельс 1 и подкрановая балка 2 объединены в единое целое посредством фрикционных само напрягающихся шпилек 4, пропущенных сквозь трубчатый профиль d верхнего пояса балки 2.

Рельсобалочная конструкция компонуется следующим образом:

назначаем диаметр Ducx и толщину стенки to исходной трубы;

назначаем толщину стенки tcm рельсобалочной конструкции из условия прочности на срез и учитывая гибкость конструкции;

назначаем толщину свесов нижнего пояса tсв, равную 18... 30 мм;

назначаем крановый арочный рельс в зависимости от сосредоточенного воздействия Р колеса крана, то есть Арел, hрел Jpeл.;

Находим требуемый момент сопротивления из условия прочности на изгиб:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где М - изгибающий момент в рельсобалочной конструкции;

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154 - коэффициент условий работы;

Ry - расчетное сопротивление стали на изгиб.

- Площадь параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Ширина параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где hрел - высота рельса;

bo - размер полости рельса;

tг - высота главной главы рельса.

Высота параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Балансировка рельсобалочной конструкции реализована следующим образом. Равенство статических моментов может быть выполнено только при определенной высоте Н сечения рельсобалочной конструкции и площади сечения Асв нижнего пояса балки.

Из условия (1) находим необходимую площадь сечения свесов:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где Ав = Арел + Ао - площадь сечения верхней части балки, состоящая из площадей сечений рельса Арел и параболической трубы Ао;

hв - высота сечения верхней части балки, равная:

hв = D + tг, (7)

где D - внешний диаметр параболической трубы верхнего пояса;

Св - расстояние от верхнего края сечения до центра тяжести верхней части балки, равное:

Cв = D/2 + tг - C, (8)

где С - расстояние от центра тяжести параболической трубы до центра тяжести верхней части подкрановой балки:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Собственный момент инерции параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где h = D/2, ho = D/2-t0.

Момент инерции верхней части балки относительно центра тяжести параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Главный момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции:

Jхвг = Jхв - C2 (Aрел + Aо), (12)

Получив по (6) площадь сечения свесов Асв, легко определить главный момент инерции сбалансированной рельсобалочной конструкции по общеизвестным формулам сопротивления материалов:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где Ссв - расстояние от нижнего края сечения до центра тяжести свесов нижнего пояса.

Подставив в (13) Асв (6), получим кубическое уравнение:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Собственным моментом инерции свесов J пренебрегаем.

Решив уравнение (14), находим высоту сечения Н сбалансированной рельсобалочной конструкции, находим высоту стенки:

hст = H - hв (15)

По формуле (6) находим площадь свесов:

b(св) = Aсв/t(св) (16)

Таким образом, все размеры рельсобалочной конструкции определены.

Далее как обычно проверяем подобранное сечение.

Проверяем балансировку сечения:

(Aв - hвtст)(0,5H - Cв) = Aсв(0,5H - Cсв). (17)

Убедившись, что сечение сбалансировано, по (10) находим главный момент инерции Jx, а затем и моменты сопротивления:

Wхв=Wхн=2Jх/H.

Проверяем прочность сечения при изгибе в вертикальной плоскоcти:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Расчет тормозной балки выполняем как обычно.

Следует отметить, что точки с максимальными по модулю напряжениями при изгибе сечения в вертикальной и горизонтальной плоскостях не совпадают. Проверку на косой изгиб сечения выполняем по формуле

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где Мт - тормозной момент от изгиба рельсобалочной конструкции в горизонтальной плоскости;

Jy - главный момент инерции тормозной балки;

Xmin - расстояние от центра тяжести тормозной балки до внешней грани боковой главы рельса.

Покажем эффективность разработанной конструкции на числовом примере. Сравнение произведем с подкрановой балкой, рассчитанной в учебнике профессора К.К.Муханова [1, с. 254].

Для сравнения результатов исходные данные оставляем без изменения и принимаем такими же.

Расчетные значения:

Момент в середине пролета М = 3839 кНрельсобалочная конструкция, патент № 2191154м = 3839000 гНсм.

Поперечная сила на опоре Q = 435 кН = 4350 гН.

Сталь ВСт3сп5 ГОСТ 27772-88.

Расчетное сопротивление по действующим нормам Ry=230 МПа, но для сравнения результатов оставим как у К.К.Муханова, то есть Ry = 210 МПа; рельсобалочная конструкция, патент № 2191154 = 0,9.

Вычисляем:

Требуемый момент сопротивления

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Примем верхний пояс подкрановой балки из трубы диаметром D = 32,5 см с толщиной стенки t = 0,8 см [2, с.71]: Ao = 79,67 cм2,

Рельс параболический трехглавый арочный ПКР 80 (сбалансированный) [3]

Арел = 81,08 см2, hpeл = 20 см, Jpeл = 5042,7 см4.

Ширина параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154.

Высота параболической трубы:

D = (3рельсобалочная конструкция, патент № 2191154/4)(32,5-0,8)-(13,16-2рельсобалочная конструкция, патент № 21911540,8) = 63,127 см.

Собственный момент инерции параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции относительно центра тяжести параболической трубы:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Расстояние от центра тяжести параболической трубы до центра тяжести верхней части подкрановой балки:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Главный момент инерции верхней части рельсобалочной конструкции:

Jхвг = 40462,068 - 6,12 (81,08 + 79,67) = 34474,574 см4.

Площадь сечения верхней части:

АВ = 81,08 + 79,67 = 160,75 см2.

Расстояние от верха рельсобалочной конструкции до центра тяжести параболической трубы и рельса:

СВ = 63,127/2 + 2,1 - 6,103 = 27,56 см.

Высота верхней части:

hВ = 63,127 + 2,1 = 65,227 см.

Примем толщины: стенки tcm = 1,2 см, свесов t = 1,8 cм.

Определяем коэффициенты кубического уравнения (5):

H3 + 412,3902H2 - 132074,0216H + 536057,3419 = 0.

Н = 208,558 см.

По (2) находим Асв:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Проверяем балансировку сечения:

(160,75-65,227рельсобалочная конструкция, патент № 21911541,2)(0,5рельсобалочная конструкция, патент № 2191154208,558-27,561) = 61,2076(0,5рельсобалочная конструкция, патент № 2191154208,558-0,9)

6327,59 рельсобалочная конструкция, патент № 2191154 6327,58.

По (13) вычисляем главный момент инерции:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

где Jсв = 61,208-1,82/12 = 16,53 см4,

hcm = 208,558-65,227= 143,33 см.

Тогда Wх = 2Jx/H = 2рельсобалочная конструкция, патент № 21911542118149,2/208,558 = 20312,33 см3 > 20312,2 см3.

Момент сопротивления рельсобалочной конструкции чуть больше требуемого!

Выполняем проверку прочности рельсобалочной конструкции на изгиб в вертикальной плоскости:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Прочность достаточна.

У аналога верхний пояс - лист 60 х 2, момент инерции при кручении:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

В нашем случае верхний пояс - параболическая труба В0 = 13,16 см, D = 63,13 cм, момент инерции при кручении рассчитываем как у полого эллипса:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Произошло увеличение момента инерции пояса при кручении в

2644/156,6 =16,9 раза.

Выполняем проверку на косой изгиб сечения:

рельсобалочная конструкция, патент № 2191154

Для определения материалоемкости определяем площадь сечения в см2 (см. таблицу в конце описания).

Таким образом произошло снижение материалоемкости на 24,5%

Экономический эффект достигнут снижением материалоемкости на 24,5%. В рельсобалочной конструкции возникновение усталостных трещин невозможно. Локальные напряжения в ней столь малы, что она работает в зоне неограниченной долговечности. Повышение долговечности достигнуто рациональной формой конструкции, в которой эффективные коэффициенты концентрации напряжений близки к 1.

Литература

1. Муханов К.К. Металлические конструкции. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1978, 572 с.

2. Сахновский М. М. Справочник конструктора строительных конструкций. Днепропетровск, "Промiнь", 1975-327 с.

3. Попченков И. В. Новые профили крановых рельсов. Прочность рельсобалочных конструкций. Канд. дис. Пенза, ПГАСА, 2000.

Класс B66C6/00 Балки и прочие опорные конструкции для подкрановых путей к кранам

способ повышения ресурса подкрановой балки -  патент 2527597 (10.09.2014)
способ увеличения сопротивляемости подкрановой балки динамическим воздействиям колес мостовых кранов -  патент 2486127 (27.06.2013)
подкрановая балка -  патент 2478557 (10.04.2013)
способ полной разгрузки железобетонной консоли колонны от воздействия подкрановых балок -  патент 2469948 (20.12.2012)
пролетная балка -  патент 2467945 (27.11.2012)
устройство для разгрузки балки или стержня -  патент 2462411 (27.09.2012)
способ восстановления работоспособности сварной подкрановой балки, поврежденной усталостными трещинами -  патент 2460621 (10.09.2012)
способ надвижки новых подкрановых балок взамен старых с минимальными помехами основному производственному процессу -  патент 2458846 (20.08.2012)
балка основания рельсового пути башенного крана -  патент 2372273 (10.11.2009)
замковое соединение рельсов в блок -  патент 2295601 (20.03.2007)

Класс B66C7/08 конструктивные особенности рельсов подкрановых путей или арматура рельсов

Наверх