Анализ зон разрушения при аварии крана

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет Политехнический институт Кафедра: Подъемно-транспортные машины и оборудование Курсовая работа по дисциплине: КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ Выполнил: ст.гр.640 781/09 Шевельков А.Н.

Проверил: д.т.н., проф. Дронов В.С.

Тула 2013

1. Описание зоны разрушения

1.1 Разрушение соединительных болтов

1.2 Разрушение верхнего пояса

2. Анализ зон разрушения

2.1 Разрушение нижнего пояса

2.2 Потеря устойчивости верхнего пояса

3. Определение силовых факторов в стреле крана

3.1 Определение продольной силы в верхнем и нижнем поясах

3.2 Определение реакций опор

3.3 Определение центра тяжести стрелы

3.4 Определение реакций от эксцентриситета

3.5 Действие момента от эксцентриситета

4. Проверка устойчивости верхнего пояса

5. Расчетное обоснование разрушения болтов фланцевого соединения

5.1 Определение запаса прочности по критическим температурам

5.2 Определение напряжений в болтовом соединении

5.3 Расчет на прочность болтового соединения по головке болта

5.4 Расчет на прочность болтового соединения по резьбе болта Заключение Список литературы

Учитывая непрерывную тенденцию в современном машинои аппаратостроении к понижению запасов прочности и повышению эксплуатационной надежности, наряду с обеспечением сопротивления элементов конструкции упругим деформациям важное значение приобретает анализ и обоснование сопротивления неупругим деформациям. Допустимость возможности возникновения неупругих деформаций в конструкциях и необходимость их надлежащего учета в расчетах прочности вытекает из требований минимального веса конструкций и технологических возможностей при изготовлении крупногабаритных конструкций. Так как при эксплуатации указанных конструкций обычно имеет место циклическое нестационарное тепловое и механическое нагружение, то для наиболее нагруженных зон этих конструкций становятся характерными процессы циклических упругопластических деформаций.

При таких условиях деформирования образования предельных состояний по возникновению трещин или по окончательному разрушению оказывается возможным при числах циклов нагружения, измеряемых сотнями и тысячами.

Оценка сопротивления конструкции хрупкому разрушению, базирующаяся на основе силовых и энергетических критериях линейной механики разрушения (критические значения коэффициентов интенсивности напряжений и поверхностной энергии), с введением поправок на размеры зон пластичности, как известно, оказалось возможной для конструкций, изготавливаемых из материалов повышенной прочности и низкой пластичности.

Исходные данные аварии крана

Рис. 1. Общий вид разрушенного крана

Рис. 2. Части труб нижнего пояса Рис. 3. Изогнутая поясная труба верхнего пояса

1. Описание зоны разрушения

1.1 Разрушение соединительных болтов

Рис. 4. Общий вид разрушенных болтов Рис. 5. Головка болта Рис. 6. Тело болта с гайками Классификация по макрогеометрии излома: однородный, характеризуется единой поверхностью разрушения.

Классификация по морфологии поверхности разрушения: кристаллический, поверхность разрушения состоит из блестящих плоских участков.

Классификация по характеру силового воздействия: излом кратковременного однократного динамического нагружения.

Классификация по микрорельефу излома: хрупкий излом.

Классификация по механизму разрушения: хрупкий излом.

Классификация по энергии разрушения: хрупкий излом.

1.2 Разрушение верхнего пояса

Рис. 7. Отрыв фланцевого соединения верхней поясной трубы Наибольшие повреждения получила промежуточная секция стрелы, деформирована в вертикальной плоскости верхняя поясная труба с 3-мя перегибами на 90^О на участке L=3400 мм.

Деформированы (плавно изогнуты на ~30…40^О) нижние поясные трубы на участках L=3500 мм; деформированы и оторваны раскосы ферм секции; разрушены все болты во фланцевых соединениях с промежуточной секцией стрелы.

2. Анализ зон разрушения

2.1 Разрушение нижнего пояса

Усталостное кольцевое разрушение 100% сечения нижней правой поясной трубы промежуточной секции II стрелы по зоне, прилегающей к сварному шву в районе фланца, существовало ещё до произошедшей аварии, о чем свидетельствует коррозия берегов раскрытой трещины. Последующего разрушения секции при эксплуатации крана не произошло из-за конструктивной особенности узла: фланец имеет центрирующую ступицу, которая вставляется в отверстие поясной трубы и обваривается. Однако дальнейшая эксплуатация секции с таким дефектом неминуемо должна была привести к повреждению или разрушению других элементов секции или сборочных единиц стрелы.

Рис. 8. Левая поясная труба.

Рис. 9. Правая поясная труба.

Рис. 10. Устлосное разрушение поясной трубы В результате резкой остановки на стрелу динамически воздействуют изгибающий момент от распределённой нагрузки собственной массы стрелы, направленный вниз относительно продольной оси стрелы, и продольная сжимающая нагрузка от реакции канатов стрелового расчала, которая по отношению к стреле с прогибом вниз увеличивает изгибающий момент и продольные растягивающие усилия в нижних поясах стреловой фермы. В результате происходит перегрузка болтов, соединяющих нижние пояса в месте стыков секций 2 — 3, и их разрушение отрывом по хрупкому механизму разрушения.

Рис. 11. Разрушенные болты соединяющие нижние поясные трубы На охрупчивание металла влияют три основных фактора:

1-температура среды ниже критической температуры вязко-хрупкого перехода; 2-наличие концентрации напряжений ;

1. 3-наличие высокой скорости нагружения.

2. Все эти компоненты в данном случаи присутствуют: температура

для сталей к примеру Ст3сп — +20°С, 10Г2С1 — 0 °C, 12Х2МФА — (-35°С), а температура при разрушении? -28°С; коэффициенты концентрации напряжений для болтов = 5-для резьбовой части и = 3,5 — для головки; момент резкой остановки близок к ударной нагрузке (смягчение — за счет упругой податливости канатов расчала и башни крана). Таким является доказательство вида разрушения болтов.

2.2 Потеря устойчивости верхнего пояса

Верхняя поясная труба подвергалась ремонту в результате деформирования при падении ненадёжно закреплённой монтажной стойки башни при работе крана. Причём для получения такого повреждения секция должна быть установлена непосредственно за корневой секцией стрелы, а на данном кране между корневой секцией I и секцией III установлена ещё одна промежуточная секция II. (обозначение секций по схеме рис. 3.). То есть до начала эксплуатации на данном объекте секция использовалась в составе стрел разных исполнений (для вылетов 30 м и 25 м) или в составе разных кранов. Это свидетельствует о значительной наработке секции ещё до её использования в составе разрушенной стрелы.

Рис. 12. Схема расположения секций стрелы Учитывая отсутствие документов, подтверждающих качество ремонта секции, и степень повреждений, полученных секцией при аварии, можно предположить, что геометрические, а, следовательно, и прочностные параметры элементов секции при ремонте не были восстановлены в полном объёме. Что и могло предопределить секцию III как наиболее слабое звено всей стрелы.

Обнаруженные на промежуточной секции IV стрелы деформации шести раскосов наклонных ферм образовались под действием вертикальной составляющей динамической нагрузки на стрелу, подобной той, от которой произошло разрушение промежуточной секции стрелы III.

Корневая секция стрелы I получила повреждения при упоре защитной распорки на пояса башни в процессе неконтролируемого опускания после разрушения промежуточной секции стрелы III.

3. Определение силовых факторов в стреле крана

Рис. 13. Схема расположения секций стрелы Масса стрелы равна: m=1,8 т, .

Коэффициент динамики Распределенная нагрузка с учетом :

3.1 Определение продольной силы в верхнем и нижнем поясах

Рис. 14. Расчетная схема стрелы Продольная сила в верхнем поясе :

;

Продольная сила в нижнем поясе :

3.2 Определение реакций опор

Рис. 15. Расчетная схема для определения реакций

3.3 Определение центра тяжести стрелы

Рис. 16. Схема поперечного сечения стрелы Вычисление площади верхней и нижней поясных труб стрелы:

(1)

D-диаметр трубы,

t-толщина стенки трубы, Площадь трубы верхнего пояса:

Площадь трубы нижнего пояса:

Определение координаты центра тяжести:

b=210мм, а=1000−210=790мм.

3.4 Определение реакций от эксцентриситета

Рис. 17. Схема для определения момента и силы от эксцентриситета Составим систему уравнений для определения продольной силы верхнего и нижнего пояса от эксцентриситета:

3.5 Действия момента от эксцентриситета

Момент от равен:

Продольная сила нижнего пояса от :

Продольная сила верхнего пояса от :

Момент от эксцентриситета:

Таблица 1

4. Проверка устойчивости верхнего пояса

Определение момента инерции:

Радиус инерции:

Гибкость стержня равна:

l-длина панели Определение критической силы:

E=2,1МПа.

Определение критического напряжения:

Расчетное напряжение равно:

Определяем коэффициент запаса:

По полученному значению можно сделать вывод, что коэффициент запаса мал, вследствие чего потеря устойчивости верхнего пояса обеспечена.

5. Расчетное обоснование разрушения болтов фланцевого соединения

5.1 Определение запаса прочности по критическим температурам

Рис. 18. Зависимость смещения критических температур от размеров трещин

Рис. 19. Зависимость смещений критических температур от толщины сечений В момент опускания стрелы температура воздуха была .

Запас по критическим температурам определим из уравнений:

; (11)

;

Где — минимальная температура элемента конструкции в эксплуатации;

— величина запаса по критическим температурам хрупкости.

При условии [?T элемент конструкции находится в вязком состоянии; при [?T элемент конструкции находится в квазихрупком состоянии; при [?T элемент конструкции находится в хрупком состоянии. Величину запаса по критическим температурам хрупкости рекомендуется принимать .

Определение запаса по критическим температурам хрупкости является определяющей оценкой состояния элемента конструкции, заключение о прочности которой производят по расчетному напряжению.

Вычисление критических температур:

(12)

Где критические температуры для образца;

смещения критических температур под действием конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

Критические температуры для образца:

Минимальная температура элемента конструкции в эксплуатации:

Смещение первых и вторых критических температур в зависимости от толщины сечений определяем по графику. При толщине сечения 20 мм:

.

При отсутствии трещин от циклического нагружения увеличение первых критических температур составляет 10−15.

При номинальных напряжениях, превышающих на 10% предел выносливости, увеличение вторых критических температур составляет около 15−20.

Вычисление критических температур:

Запас по критическим температурам:

;

.

Температура эксплуатации располагается между первой и второй критическими температурами. В этом случае следует ожидать квазихрупкое разрушение.

5.2 Определение напряжений в болтовом соединении

Рис. 20. Болт М 20

Рис. 21. Конструктивное исполнение

номинальный диаметр резьбы (мм)

20 диаметр стержня (мм)

2,5 шаг резьбы (мм)

14 высота головки (мм)

размер под ключ (мм)

диаметр описанной окружности (мм)

1,6 радиус под головкой (мм)

длина резьбы, в зависимости от длины стержня (мм) 46 52

Таблица 2. Механические свойства при повышенных температурах

Материал болта Сталь 30.

Твердость HB 150−160.

Класс прочности 5.6.

Рис. 22. Напряжения в головке и стержне болта при деформациях упругости, пластичности, ползучести

Рис. 23. Схемы (а) и кривые (б) распределения напряжений под головкой болта с однои двухрадиусной галтелями Коэффициент концентрации напряжений под головкой болта определяем по формуле:

где диаметр стержня, адиус галтели под головкой Рис. 24. Схема распределения напряжений в свободной части резьбы Теоретический коэффициент концентрации напряжений в резьбовом соединении типа болт-гайка можно определить по формуле:

Где — шаг резьбы,

5.3 Расчет на прочность болтового соединения по головке болта

разрушение болт стрела кран прочность Определяем расчетное напряжение по брутто сечению.

Диаметр болтаd=20мм.

Максимальное напряжение равно:

коэффициент концентрации напряжений под головкой болта Коэффициент запаса прочности болтов с концентрацией напряжения под головкой:

— предел прочности материала болта =530 МПа.

Коэффициент запаса прочности мал, следует ожидать разрушение болтов.

5.4 Расчет на прочность болтового соединения по резьбе болта

Определение запаса по критическим напряжениям при температуре эксплуатации.

Пределы текучести при первой и второй критических температурах ,.

коэффициент зависящий предела текучести материала,.

Предел прочности при первой критической температуре

коэффициент зависящий от предела прочности материала, определяется по формуле:

сопротивление отрыву равное 800 МПа.

Величина критического напряжения по сечению нетто при, с учетом влияния разницы в размерах площади, а также размера трещины.

Площадь кольца

.

;

=0,075.

Относительная величина критического напряжения:

Критическое значение КИН при :

— температура хрупкого разрушения.

Коэффициент интенсивности напряжения :

.

Критическое напряжение при, через коэффициент интенсивности напряжений.

Относительная величина напряжения Постоянная, зависящая от свойств стали и условий испытаний определяется по формуле:

Величина критического напряжения при температуре эксплуатации:

Предел текучести при температуре эксплуатации:

Коэффициент запаса по разрушающему напряжению:

Заключение

При выполнении данной работы можно сделать следующие выводы: при проверке устойчивости верхнего пояса коэффициент запаса не удовлетворяет условиям прочности, следовательно потеря устойчивости верхнего пояса обеспечивается. При расчете болтов на прочность по головке болта коэффициент запаса меньше требуемого, следует ожидать разрушения болтов. В расчете болтов на прочность по резьбе коэффициент запаса прочности меньше требуемого, из этого следует разрушение болта по резьбе. Исходя из проделанных расчетов можно сказать, что разрушение секции стрелы произошло по нехватке коэффициента запаса прочности болтов и запаса устойчивости верхнего пояса.

1. Дронов В. С., Дубенский Г. Г., Троицкий И. В. Механика разрушения.? Тул. гос. ун-т.? Тула, 1999. — 276 с.

2. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность.? М.: Машиностроение, 1981. — 272 с.

3. Биргер И. А. Расчет на прочность деталей машин: Справочник.? М.: Машиностроение, 1993. — 640 с.

4. Соколов С. А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин: Учеб. пособие. — СПб.: Политехника, 2005. — 423 с.

5. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1976. — 608 с.