ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАГРУЗОК И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ МАШИН

Классификация нагрузок

Работоспособность, долговечность, надежность и безопасность эксплуатации ГПМ обеспечены расчетами деталей сборочных единиц на прочность при однократном действии наибольших нагрузок; выносливость, нагрев и износ при многократном действии нагрузок за срок службы ; величину деформаций (прогибов металлоконструкций); достаточность сцепления приводных колес с опорной поверхностью; уровень вибраций и других моментов, нарушающих нормальную работу ГПМ или их механизмов (элементов) либо оказывающих вредное физиологическое воздействие на обслуживающий персонал.

Нагруженность машин — один из главных факторов, определяющих их надежность и энергетическую эффективность.

По характеру воздействия на элементы машин нагрузки ПТМ можно разделить на

· эксплуатационные;

· технологические;

· транспортные;

· монтажные.

К эксплуатационным относят нагрузки на площадки, лестницы, поручни и перила крана от действий обслуживающего персонала с учетом веса переносимого инструмента и запасных деталей. Указанные нагрузки являются сосредоточенными подвижными и имеют следующие значения: 3000 Н — вертикальная нагрузка на площадки, на которых можно размещать материалы; 1300 Н — горизонтальная нагрузка на перила и поручни; 1200 Н —вертикальная на элементы лестниц.

Технологические нагрузки учитывают в случаях выполнения ГПМ специфических технологических операций, например, поддержание деталей при сварке оборудования, монтаж оборудования, трубопроводов и др.

Транспортные нагрузки, действующие на ГПМ и их отдельные элементы в транспортном положении в зависимости от способа перевозки, размещения и крепления элементов на транспортных средствах. Указанные нагрузки определяют согласно требованиям соответствующих ведомств и нормативно-технической документации на транспортные средства.

Монтажные нагрузки действуют на ГПМ (элементы) в процессе монтажа (демонтажа) и их определяют с учетом конкретной технологии ведения работ.

По характеру изменения во времени эксплуатационные нагрузки ПТМ можно разделить на постоянные, переменные и прочие. К постояннымотносят нагрузки рабочего состояния, не изменяющиеся в течение продолжительного периода времени. К  переменным –рабочие нагрузки, которые в течение короткого времени могут изменяться по амплитуде и среднему значению. К прочимнагрузкам можно отнести нагрузки, характерные для нерабочего состояния машины.

Постоянные нагрузки. К их числу в ПТМ можно отнести: силы тяжести; нагрузки от метеорологических факторов (снег, гололед, температурные воздействия и др.); усилия предварительного натяжения тяговых элементов (лент, цепей, канатов); усилия от расчаливания; нагрузки от начальной затяжки (запрессовки, заклинивания); нагрузки холостого хода машин непрерывного транспорта и рабочие нагрузки при стационарном режиме их работы.

Характерной особенностью многих из этих нагрузок является то, что, будучи постоянными для одних элементов машины (например, для металлоконструкции мостовою крана), они вызывают стационарные переменные нагрузки или стационарные переменные напряжения в других ее элементах (в частности, в деталях механизма передвижения).

Это обусловлено поочередным входом в зацепление зубьев зубчатых колес с появлением пульсирующих нагрузок и напряжений, изменяющихся по пульсирующему циклу, а также вращением валов и осей относительно нагрузок с появлением напряжений, изменяющихся по симметричному циклу. В том же кране постоянная нагрузка от силы тяжести тележки с грузом, перемещаемой относительно моста, вызывает в металлоконструкции переменные напряжения, изменяющиеся по асимметричному циклу.

Постоянные нагрузки по-разному влияют на работу машин и в одних случаях их влияние незначительно, в других — существенно. Например, силы тяжести металлоконструкций кранов часто превосходят силы тяжести поднимаемых грузов и их влияние необходимо учитывать. В машинах непрерывного транспорта с многоопорными металлическими конструкциями силы тяжести металлоконструкций также велики, но на работу машин они практически невлияют. При установке металлоконструкции конвейера на двух опорах влияние сил тяжести становится значительным.

Нагрузки на краны от снега и гололеда могут быть значительными и соизмеримыми с силами тяжести. Гололед вредно влияет на работу машин непрерывного транспорта, утяжеляя их движущиеся части (ленту, полотно).

Нагрузки от предварительного натяжения тяговых элементов машин непрерывного транспорта существенно влияют на их работу. Необходимое усилие предварительного натяжения ленты или каната в машинах с фрикционным приводом часто превышает полезное усилие. Но, опасаясь пробуксовывания на барабанах, ленту иногда натягивают с усилием, намного превышающим расчетное значение. Боковое смещение полотна пластинчатых конвейеров часто пытаются устранить предварительным натяжением тяговых цепей с усилием, многократно превышающим нормальное расчетное значение. С этим связано интенсивное изнашивание тяговых цепей и других элементов конвейеров.

Нагрузки от начального затягивания в ряде случаев также вызывают отказы. Например, опасны надрывы (скрытые частичные разрушения) болтов. Постоянные нагрузки далеко не всегда можно учитывать простым суммированием их с переменными нагрузками, хотя во многих случаях такое суммирование правомерно.

В отдельных случаях постоянные нагрузки положительно влияют на характер напряженного состояния от переменной нагрузки и не снижают, а повышают усталостную прочность. В частности, при запрессовывании вала в проушину с круглым отверстием в ней возникают большие постоянные напряжения, но ее несущая способность по пределу выносливости не снижается, а повышается в 1,7 раза по сравнению с тем, когда вал вставлен в отверстие проушины свободно и передает на нее ту же растягивающую нагрузку.

Влияние постоянных нагрузок на изнашивание более определенно: все они при воздействии на узлы трения вызывают увеличение износа. Аналогично влияют эти нагрузки и на энергетическую эффективность машин. Они вызывают увеличение сопротивлений движению.

Связанные с этим энергетические потери в процессе работы кранов относительно невелики, так как передвижение по крановому пути и вращение (стреловые краны) — наименее энергоемкие части рабочего цикла по сравнению с подъемом груза. Значение этих потерь значительно возрастает при переезде кранов собственным ходом или перевозке их на новое место работы. По-иному обстоит дело в машинах непрерывного транспорта. Здесь сопротивления перемещению, обусловленные постоянными нагрузками (силами тяжести и усилиями предварительного натяжения), значительны и действуют в течение всего времени работы машины. Особенно велики энергетические потери от сил тяжести при трении скольжения (скребковые конвейеры).

Переменные нагрузки. К их числу в ПТМ можно отнести: рабочие (полезные) нагрузки; силы сопротивления движению; динамические нагрузки, связанные с пуском (разгоном), торможением, реверсированием, наездом на неровности пути и препятствия, неравномерностью движения, действием центробежных сил, обрывом, падением и заклиниванием груза и др.; ветровые нагрузки. Основными причинами переменности рабочих нагрузок являются нестационарность режима загрузки, переменность рабочего процесса, внутренняя и внешняя динамика.

Нестационарность режима загрузкихарактерна для большинства ПТМ. Работа грузоподъемных машин связана с грузами различной массы и перемещением их на различные расстояния. Загрузка машин непрерывного транспорта также во многих случаях неравномерна в связи с дискретной работой загрузочного или забойного оборудования, неравномерностью поступления грузов в пункты загрузки и по многим другим причинам. Неравномерны также суточные, часовые и пятиминутные (расчетные) пассажиропотоки, обслуживаемые пассажирскими лифтами и эскалаторами. Все это обусловливает нестационарность режима загрузки машин и переменность рабочих нагрузок. С этим связана и нестационарностьсил сопротивлений движению, которые в ПТМ оказывают отрицательное влияние. Они повышают уровень нагруженности машин и снижают их энергетическую эффективность. Положительное их влияние сказывается лишь в процессах торможения. При расчете ПТМ обычно учитывают только силы сопротивлений движению, связанные с внешним и внутренним (перегиб ленты, каната, перемещение насыпного груза) трением. Силы сопротивления воздуха из-за малых скоростей ПТМ, как правило, не учитывают. Силы сопротивления движению условно принимают прямо пропорциональными сумме сил тяжести и полезной нагрузки. Поскольку рабочая нагрузка переменна, то переменны и силы сопротивления движению.

Переменность рабочего процессахарактерна для всех ПТМ циклического действия. Полный цикл работы каждой такой машины состоит из нескольких частей (подъема, опускания, передвижения, вращения, остановок для снятия груза и выхода пассажиров, разгрузки, подвешивания груза, входа пассажиров, загрузки и др.). При этом элементы машины, воспринимающие нагрузку при одной части рабочего цикла, при выполнении другой его части могут находиться в нерабочем состоянии (рабочая нагрузка равна нулю). Это уже само по себе определяет переменность рабочей нагрузки и сил сопротивлений движению. Но более существенное значение имеют динамические явления, обусловленные переменностью рабочего процесса.

Динамические явленияв ПТМ разнообразны. Наиболее неблагоприятными для машин циклического действия являются пуск (разгон) и торможение (замедление).

Даже при одном рабочем цикле они могут повторяться многократно. Так, в течение одного цикла работы лифта (от момента ухода кабины с нижнего этажа до возвращения ее на этот этаж) должно быть осуществлено несколько пусков (разгонов от нулевой скорости до номинальной) и несколько торможений (замедлений от номинальной скорости до нулевой). В кранах все эти процессы совершаются в течение одного цикла в каждом из его механизмов (подъема груза, передвижения тележки, передвижения крана, вращения поворотной платформы, изменения вылета стрелы и др.). Процессы разгона и торможения в кранах осложнены колебаниями груза, подвешенного на упругом канате, а также колебаниями самого крана как упругой системы.

Динамические нагрузкипри пуске и торможении значительны. Например, динамические моменты на первом валу механизма подъема электроталей при включении двигателя могут до 3,5— 4,5 раза превышать нормальные, а на первом валу механизма передвижения — до 4,5—7 раз. Особенно велики динамические нагрузки при реверсировании двигателей противотоком.

Частые пуски и остановки, характерные для машин циклического действия, создают неблагоприятный режим работы. Опыт показывает, что многие детали и сборочные единицы, удовлетворительно работающие при непрерывном режиме, оказываются неработоспособными при крановом режиме. Это связано не только с большими динамическими нагрузками, но и со специфическим их характером, близким к ударному, а также с неблагоприятным режимом смазывания узлов трения в начальные моменты неустановившегося движения.

Неблагоприятными для кранов, работающих на открытом воздухе, являются ветровые нагрузки, отнесенные к переменным в связи с тем, что порывы ветра воздействуют на кран подобно динамической нагрузке. Известны случаи опрокидывания кранов под воздействием ветровой нагрузки. При определенном ее значении работа кранов становится невозможной из-за раскачивания груза. Особую опасность для кранов представляют нагрузки, возникающие при подъеме грузов неизвестной массы, примерзших, с зацепами и др., так как имеющие место наиболее опасные виды разрушений металлоконструкций кранов чаще всего связаны именно с такими нагрузками. Поэтому важное значение имеет защита кранов от перегрузки с помощью ограничителей нагрузки. Такими приборами оборудуют не все виды кранов, а сами они далеко не всегда обеспечивают надежную защиту от перегрузки.

В машинах непрерывного транспорта динамические нагрузки, связанные с неустановившимися процессами разгона и торможения, также значительны, но поскольку частота их невелика, они не оказывают такого влияния, как в машинах циклического действия.

В цепных конвейерах имеют место динамические процессы, обусловленные поперечными и продольными колебаниями цепи вследствие полигональности звездочек и других возмущающих эффектов (разношаговость звеньев цепи, эксцентриситеты звездочек и др.). Наибольшую опасность представляют резонансные режимы работы, при которых динамическая нагрузка может достигать угрожающих значений. Большие динамические нагрузки связаны с падением на полотно конвейера крупных кусков груза, о заклиниванием кусков груза между цепью и звездочкой, а также завалами и грузовыми пробками в конвейерах о погруженными скребками, имеющими закрытые желоба.

Прочие нагрузки. К их числу относятся сейсмические, испытательные и другие нагрузки, воздействующие на машину при нерабочем состоянии. Сейсмические нагрузки определяют согласно СНиП 11-7—81 «Строительство в сейсмических районах. Правила производства и приемки работ».

Рассмотренные нагрузки весьма разнообразны по характеру приложения и величинам, поэтому для удобства выполнения расчетов они сведены в три основные группы:

— нормативные нагрузки, характеризующиеся наибольшими предельными величинами, установленными на основании характеристик ГПМ, режима нагружения и условий эксплуатации (например, нагрузка от массы груза, равной номинальной грузоподъемности ГПМ, ветровые нагрузки рабочего состояния и др.);

— случайные нагрузки, представляющие собой отклонения от нормативных нагрузок, учитываемые коэффициентом перегрузки (например, случайно поднятый груз, превышающий по массе номинальную грузоподъемность ГПМ, ветровые нагрузки нерабочего состояния и др.);

—эквивалентные нагрузки, отражающие особенность нагружения ГПМ различными по значению нагрузками за определенный срок службы. Эквивалентная нагрузка при стационарном режиме (постоянное многократное приложение нагрузки одного значения) вызывает ту же степень усталостного повреждения детали (увеличение прогиба элемента и пр.) в течение рассматриваемого срока службы ГПМ (за машинное время работы), как и фактически действующие нагрузки при нестационарном режиме(переменные по значению и времени действия нагрузки).

При расчете механизмов ГПМ и их элементов необходимо учитывать возникающие в процессе работы нагрузки, их возможные сочетания, определять наиболее опасные из этих сочетаний и по ним проводить расчет на прочность и сопротивление усталости. Для ГПМ возможные основные сочетания расчетных нагрузок условно разделены на три расчетных случая.

Расчетный случай I — нормальная нагрузка ГПМ в рабочем состоянии, включающая номинальный вес груза и грузозахватного устройства, собственный вес конструкций и механизмов, ветровые нагрузки рабочего состояния, а также динамические нагрузки, возникающие в период неустановившегося движения при нормальных условиях эксплуатации.

Расчетный случай II — максимальная рабочая нагрузка, включающая, кроме нагрузок от собственного и номинального весов груза и грузозахватного устройства, также. и максимальные динамические нагрузки, возникающие при резких пусках и экстренном торможении механизмов, вне запном включении (выключении) электрического тока, и предельные значения ветровой нагрузки рабочего состояния. Предельные значения динамической рабочей нагрузки ограничивают величиной момента пробуксовки или юза хо-довых колес, максимального крутящего момента на валу двигателя или тормоза, а также срабатыванием специальных предохранительных устройств. В этом случае расчет ведут с учетом максимально возможного уклона пути и про-веряют грузовую устойчивость ГПМ.

Расчетный случай III — нагрузки нерабочего состояния ГПМ без груза, с выключенными механизмами, установленного на открытом воздухе. При этом на машину кроме собственного веса действует предельная ветровая нагрузка нерабочего состояния, а иногда и нагрузки, вызываемые снегом, обледенением или температурным воздействием. Воздействие снеговой и ветровой нагрузок одновременно не учитывают. В данном расчетном случае проверяют собственную устойчивость ГПМ.

Расчетные случаи, виды нагрузок и их сочетания для конкретных ГПМ регламентируют соответствующие нормативно-технические документы. Основные расчетные нагрузки определяют по графикам загрузки механизмов во времени, построенным с учетом действительного режима работы механизма.

В расчетах прочности и устойчивости ГПМ, работающих на открытом воздухе, необходимо учитывать действие ветровых нагрузок, которые в соответствии с требованиями' ГОСТ 1451—77 «Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и методы определения» разделяют на нагрузки рабочего и нерабочего состояний. При этом понимают, что в рабочем состоянии ГПМ выполняет работу по подъему и перемещению груза, а в нерабочем состоянии ГПМ без груза с выключенными механизмами испытывает нагрузки от сил тяжести собственных элементов и ветрового давления. К нерабочему состоянию также относят процессы монтажа (демонтажа) и транспортировки ГПМ.

При нагрузках рабочего состояния разрешена нормальная эксплуатация ГПМ с грузом номинальной массы, а сами нагрузки учитывают для расчета сил сопротивления при выполнении рабочих движений механизмов, мощности двигателей, тормозов, металлических конструкций и грузовой устойчивости ГПМ. В этих расчетах учитывают ветровую нагрузку на элементы ГПМ и груз. Нагрузку нерабочего состояния учитывают при расчете металлоконструкций, осей и валов ходовых колес, противоугонных устройств и собственной устойчивости ГПМ.

Ветровую нагрузку для обоих состояний ГПМ определяют как сумму статической и динамической составляющих. Первая составляющая соответствует постоянной скорости ветра и ее учитывают во всех расчетных случаях. Динамическая составляющая обусловлена пульсацией (изменением скорости) ветра и ее следует учитывать только при расчете на прочность металлоконструкций и проверке устойчивости ГПМ против опрокидывания. Динамическую составляющую определяют по нормам проектирования ГПМ данного типа.

Статическую составляющую ветровой нагрузки, действующую на элемент ГПМ или груз, определяют по формуле

F= рА, Н,                                            (1)

где р — распределенная ветровая нагрузка на единицу расчетной площади элемента ГПМ или груза в данной зоне высоты, Па; А — расчетная площадь элемента крана или груза, м².

Распределенную ветровую нагрузку, в свою очередь, определяют по формуле

р = qkcn,                                             (2)

где q — динамическое давление ветра на высоте не более 10 м над поверхностью земли, Па; k — коэффициент, учитывающий изменение динамического давления по высоте; c— коэффициент аэродинамической силы; п — коэффициент перегрузки, учитывающий применяемый расчетный метод.

Динамическое давление ветра для рабочего состояния крана принимают независимо от района его установки, но с учетом назначения, в соответствии с которым установлены три значения q: 125 Па— для строительных, монтажных и технологических кранов, а также стреловых самоходных кранов общего назначения; 250 Па — для кранов всех типов, установленных в речных и морских портах; 500 Па — для кранов, установленных на объектах, исключающих возможные перерывы в работе. Динамическое давление ветра для нерабочего состояния крана регламентировано требованиями ГОСТ 1451—77 для семи районов. Если район установки крана точно не известен, то допускается принимать q = 450 Па.

В зависимости от высоты расположения элемента крана над поверхностью земли выбирают значения коэффициента k.

Значения коэффициента аэродинамической силы — с принимают согласно требованиям ГОСТ 1451—77 от 0,1 до 2,0 в зависимости от конструктивных особенностей, формы наветренной поверхности, коэффициента заполнения ферм и степени их перекрытия (затененности) другими элементами, размеров элементов, направления и скорости ветра. При определении ветровой нагрузки на груз принимают с = 1.

Значения коэффициента перегрузки п при определении ветровой нагрузки рабочего состояния принимают равными единице, а для нерабочего состояния п = 1,1.

Методы измерения нагрузок

Сложный характер нагруженности ПТМ затрудняет ее оценку расчетным путем. Более эффективным способом получения достоверной информации о нагруженности машин является сбор ее в условиях эксплуатации. Эту задачу решают различными методами.

Наиболее простые из них — визуальные методы регистрации по стрелочным приборам самой нагрузки (например, массы поднимаемого груза) или связанных с нею косвенных характеристик (например, мощности привода). Эти методы дают удовлетворительные результаты при редких дискретных нагружениях. При плавном изменении нагрузки, например при установившейся работе некоторых машин непрерывного транспорта, приемлем метод непрерывной регистрации нагрузки с использованием самописцев мощности и последующим пересчетом на нагрузку. Эти методы, однако, непригодны для регистрации нагрузок, обусловленных быстропротекающими неустановившимися процессами, имеющими большое значение при формировании режимов нагружения ПТМ циклического действия.

Более универсален тензометрический метод исследования нагруженности машин, обеспечивающий непрерывную запись напряженного состояния отдельных элементов механизмов и металлоконструкций на пленку (бумажную ленту) осциллографа. Он позволяет регистрировать процессы изменения нагрузок, протекающие с большими скоростями и частотами. В результате статистической обработки осциллограмм натурных испытаний машин можно получить кривые распределения или гистограммы нагруженности за длительный период их эксплуатации.

Тензометрический метод позволяет регистрировать нагрузки, действующие как на неподвижные, так и на поступательно-движущиеся или вращающиеся элементы. Однако, он не лишен и существенных недостатков. К ним относятся сложность и громоздкость аппаратуры, что затрудняет проведение опытов без нарушения технологического процесса и требует высокой квалификации исследователей, а самое главное — большая трудоемкость последующей обработки осциллограмм. Стремление избежать этих недостатков привело к созданию счетчиков для регистрации значений и положения подвижной нагрузки, срабатывающих при достижении этими параметрами нагруженности определенных уровней. Для этого весь диапазон измеряемой нагрузки или места ее приложения разбивают на несколько частей (уровней). Для регистрации значений параметров, соответствующих этим уровням, используют датчики разных типов: тензометрические, потенциометрические и дискретные.

3.3. Прочность деталей машин

3.3.1. Виды отказов по критерию прочности

Усталостные разрушения (рис. 1) возникают при переменных напряжениях, уровень которых превышает предельное для данных условий значение.

Обычно существует такой стационарный режим нагружения при котором увеличение числа циклов нагружения N не вызывает снижения предельного значения напряжений σ_-1,называемого пределом выносливости. В некоторых случаях, например при воздействии коррозии и высоких температур, а также при контактных нагружениях закаленных до высокой твердости сталей, предел выносливости в таком понимании может отсутствовать. Наиболее опасным является общее усталостное разрушение деталей. Ему предшествует образование трещины, которая, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает внезапную поломку нередко с тяжелыми последствиями.

Пластические деформации наблюдаются при перегрузке наиболее распространенных в ПТМ деталей из вязких (пластичных) материалов, к которым относятся незакаленные и высокоотпущенные стали.

Ползучесть представляет собой процесс малой непрерывной пластической деформации, возникающей при длительном нагружении.

Хрупкие разрушения, в отличие от усталостных, происходят:

а) при однократном воздействии больших нагрузок (реже — статических, чаще — ударных) на детали из хрупких материалов;

б) в условиях низких температур (низкотемпературное охрупчи-вание некоторых видов конструкционных сталей с примесями азота);

в) при постоянных остаточных напряжениях высокого уровня (замедленное хрупкое разрушение низкоотпущенных сталей — ЗХР);

г) под действием факторов, не связанных с нагружением (тепловое и радиационное охрупчивание).

Нарушение сцепления вызывается нагрузками, превышающими предельные (проворот и осевое смещение в соединениях с натягом, проскальзывание в приводах и передачах трения), или вибрационными воздействиями (самоотвинчивание в резьбовых соединениях).

Как и общее разрушение, оно связано с тяжелыми последствиями. Нарушение прессовых соединений в грузоподъемных машинах может вызвать падение груза, самопроизвольное движение тележки или крана и т. д. Поэтому без дополнительных креплений применять эти соединения в механизмах таких машин не разрешается. Проворот и осевое смещение валиков и втулок в пластинах цепей ведет к быстрому износу в сопряжениях этих деталей. Проскальзывание каната и ленты относительно канатоведущего шкива или барабана также связано с быстрым их износом. Большую опасность представляет и самоотвинчивание в резьбовых соединениях.