Магистерский диплом (ВКР) на тему Методы прогнозирования долговечности металлоконструкций портальных кранов

Содержание:

Введение. 7

Глава
1. Критический анализ состояния проблемы.. 11

1.1
Общая характеристика портальных кранов. 11

1.2 Контроль качества металлоконструкций портальных кранов, нагрузки, сроки эксплуатации. 19

1.2.1 Условия эксплуатации металлоконструкций
портальных кранов. Дефекты, отказы и виды разрушения. 19

1.2.2 Энергоемкость приводов металлоконструкций
портальных кранов, металлоемкость конструкций и
эксплуатационные нагрузки. 22

1.2.3 Методы контроля качества при производстве,
эксплуатации и ремонте металлоконструкций портальных кранов. 30

1.2.4 Нормативные сроки эксплуатации металлоконструкций
портальных кранов  35

1.3 Надежность металлоконструкций портальных кранов и допустимость повреждений. 38

Выводы.. 43

Глава 2. Методы прогнозирования долговечности
металлоконструкций портальных кранов. 45

2.1
Показатели долговечности металлоконструкций портальных кранов. Остаточный ресурс – основной показатель долговечности
металлоконструкций портальных кранов. 45

2.2 Методы прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций
портальных кранов. 46

2.2.1 Анализ методов прогнозирования остаточного ресурса
элементов металлоконструкций
портальных кранов с трещинами. 46

2.2.2 Метод прогнозирования остаточного ресурса элементов
металлоконструкций
портальных кранов с центральными и двумя краевыми симметричными
трещинами. 53

2.2.3 Метод прогнозирования ресурса элементов металлоконструкций портальных
кранов с краевыми трещинами. 59

2.2.4 Метод прогнозирования остаточного ресурса элементов
металлоконструкций
портальных кранов в рамках КРТ-критерия. 65

2.2.5 Оценки остаточного календарного ресурса портального
перегрузочного крана грузоподъемностью 16 т, КПП 16-30, установленного в речном
порту  66

Выводы.. 75

Глава
3. Экономическая эффективность от внедрения в производство методов
прогнозирования долговечности металлоконструкций портальных кранов за счет
увеличения сроков эксплуатации. 76

3.1 Учет нерегулярности нагружения при прогнозировании
остаточного ресурса металлоконструкций
портальных кранов с трещинами. 76

3.2 Экономическая эффективность от внедрения в
производство методов прогнозирования долговечности металлоконструкций
портальных кранов. 93

Выводы.. 100

Заключение. 102

Список
использованных источников. 104

Введение:

Актуальность темы. Анализ случаев катастрофического разрушения
крупногабаритных металлоконструкций портальных кранов при напряжениях
значительно ниже предела текучести показывает, что методы расчета, основанные
на классических подходах механики сплошной среды, часто являются
недостаточными.

В металлоконструкциях всегда присутствуют дефекты различного
происхождения — металлургического, технологического, эксплуатационного, которые
при определенных условиях приводят к появлению трещин и хрупкому разрушению
конструкции.

Скорость зарождения и распространения трещин определяется
особенностями структуры, параметрами конструкции, характером нагрузок,
агрессивностью и температурой эксплуатационной среды, что подтверждает
актуальность темы работы.

Объект исследования. Металлоконструкции портальных кранов.

Предмет исследования — прогнозирование долговечности
металлоконструкций портальных кранов.

Цель работы. Усовершенствование методов прогнозирования долговечности
металлоконструкций портальных кранов для получения желаемого экономического эффекта от сверхнормативной
эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо
решить следующие задачи.

1. Оценка надежности металлоконструкций портальных кранов и допустимость повреждений.

2. Оценка показателей
долговечности металлоконструкций портальных кранов. Остаточный ресурс – основной показатель долговечности
металлоконструкций портальных кранов.

3. Усовершенствование методов прогнозирования
остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов.

4. Реализация учета нерегулярности нагружения при
прогнозировании остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов с трещинами.

5. Оценка экономической эффективности от
внедрения в производство методов прогнозирования долговечности
металлоконструкций портальных кранов за счет увеличения сроков эксплуатации.

Теоретико-методологические основы исследования. Основные выводы и
положения диссертационной работы основаны на основах теории прочностного
анализа, математической статистики,

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в
адаптации общего метода учета нерегулярности нагружения при расчетах
остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин для условий
эксплуатации портальных кранов.

Теоретическая значимость работы. Заключается в
том, что полученные результаты позволяют с более высокой точностью проводить
расчеты долговечности
металлоконструкций портальных кранов.

Практическая значимость. Практическая значимость результатов исследования заключаться в
возможности решения на их основе инженерных задач, способствующих увеличению
долговечности металлоконструкций портальных кранов, а также проведению
дальнейших научных исследований в этом направлении.

Положения, выносимые на защиту.

1. Оценка надежности металлоконструкций портальных кранов и допустимость повреждений.

2. Оценка показателей
долговечности металлоконструкций портальных кранов. Остаточный ресурс – основной показатель долговечности
металлоконструкций портальных кранов.

3. Усовершенствование методов прогнозирования
остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов.

4. Реализация учета нерегулярности нагружения при
прогнозировании остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов с трещинами.

5. Оценка экономической эффективности от
внедрения в производство методов прогнозирования долговечности
металлоконструкций портальных кранов за счет увеличения сроков эксплуатации.

Степень достоверности подтверждена коррелируемостью сторонних
эмпирических результатов с данными, полученными в результате расчетов.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав,
заключения, библиографического списка из 41 наименования, 5 таблиц, 34
рисунков.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована
актуальность исследования, определены цель, задачи, научная новизна и
практическая значимость работы.

В первой главе отмечено, что портальные краны являются одним
из наиболее распространенных средств механизации погрузочно-разгрузочных работ
в морских и речных портах, а также монтажно-сборочных работ при постройке и ремонте
судов. Кроме того, портальные краны широко применяются для механизации работ на
крупных гидротехнических строительствах. Масса металлоконструкции в
значительной степени определяется механическими характеристиками применяемых
сталей, которые должны удовлетворять требованиям безопасности, надежности,
технико-экономическим показателям. Для металлоконструкций портальных кранов,
как правило, применяют низкопрочные, обладающие повышенной вязкостью материалы,
которые практически исключают хрупкое разрушение в заданном интервале
температур.

Приведенный анализ показывает целесообразность
использования дефектоскопического контроля высокой разрешающей способности,
особенно для диагностирования металлоконструкций из материалов повышенной
прочности.

Во второй главе изложен метод расчета остаточного
ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин с усталостными трещинами,
диаграммы живучести, нормы дефектности металлоконструкций с трещинами.

Сравниваются результаты расчета,
полученные рассматриваемым приближенным и численными трудоемкими, точными
методами.

Показана хорошая корреляция
результатов для инженерной практики.

Для расчета работоспособности
конструкций методами механики разрушения необходима полная информация о
характере нагружения.

Эти данные
могут быть получены при помощи традиционных экспериментально аналитических
методов расчета напряженно-деформированного состояния элементов крановых
конструкций при воздействии различных эксплуатационных факторов, динамических
перегрузок, концентрации напряжений.

Рассчитанный остаточный календарный ресурс рассматриваемого портального
перегрузочного крана грузоподъемностью 16 т, КПП 16-30, установленного в речном
порту составляет 10 лет.

В третьей главе показано, что проведенное численное исследование — зависимость экономического
эффекта, полученного от сверхнормативной эксплуатации в функции tсл — срока службы машины на момент
обследования имеет нелинейный характер и после tсл=10 лет асимптотически
приближается к постоянной величине, зависящей от конкретных исходных данных.
При этом зависимость экономического эффекта, полученного от сверхнормативной
эксплуатации в функции отношения Тн — срока продления к Тсл
— нормативному сроку службы имеет линейный характер и снижается в зависимости
от величины tсл.

В заключении подведены итого, и сформулировано резюме по работе.

Заключение:

В ходе исследования его цель – усовершенствование методов прогнозирования
долговечности металлоконструкций портальных кранов для получения желаемого экономического эффекта от сверхнормативной
эксплуатации — достигнута.

При этом решены задачи.

1. Оценка надежности металлоконструкций портальных
кранов и допустимость повреждений.

2. Оценка показателей долговечности
металлоконструкций портальных кранов. Остаточный
ресурс – основной показатель долговечности металлоконструкций
портальных кранов.

3. Усовершенствование методов прогнозирования остаточного
ресурса
металлоконструкций портальных кранов.

4. Реализация учета нерегулярности нагружения при прогнозировании
остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов с трещинами.

Актуальность состоит в
том, что анализ случаев катастрофического разрушения крупногабаритных
металлоконструкций портальных кранов при напряжениях значительно ниже предела
текучести показывает, что методы расчета, основанные на классических подходах
механики сплошной среды, часто являются недостаточными. В металлоконструкциях
всегда присутствуют дефекты различного происхождения — металлургического,
технологического, эксплуатационного, — которые при определенных условиях
приводят к появлению трещин и хрупкому разрушению конструкции. Скорость
зарождения и распространения трещин определяется особенностями структуры,
параметрами конструкции, характером нагрузок, агрессивностью и температурой
эксплуатационной среды.

Научная
новизна состоит в адаптации общего метода учета нерегулярности нагружения при
расчетах остаточного ресурса изначально применимого для металлоконструкций общего
класса грузоподъемных машин для условий, характерных для объекта исследования —
портальных кранов, поскольку существующие методики не учитывают эффекта
взаимодействия циклов с различной амплитудой при распространении трещины в
металлоконструкциях портальных кранов и отражено в параграфе 3.1.

Проведено исследование зависимости экономического
эффекта, полученного от сверхнормативной эксплуатации в функции tсл — срока службы машины на момент обследования,
изменяющегося в пределах от 1 до 10 лет, а также исследование зависимости экономического
эффекта, полученного от сверхнормативной эксплуатации в функции отношения Тн
— срока продления к Тсл — нормативному сроку службы, при tсл=const.

Как
показывает проведенное численное исследование — зависимость экономического
эффекта, полученного от сверхнормативной эксплуатации в функции tсл — срока службы машины на момент обследования имеет
нелинейный характер и после tсл=10 лет
асимптотически приближается к постоянной величине, зависящей от конкретных
исходных данных. При этом зависимость экономического эффекта, полученного от
сверхнормативной эксплуатации в функции отношения Тн — срока
продления к Тсл — нормативному сроку службы имеет линейный характер
и снижается в зависимости от величины tсл.

Фрагмент текста работы:

Глава 1. Критический анализ состояния проблемы 1.1 Общая характеристика портальных кранов Портальными кранами называются
полноповоротные стреловые краны, установленные на жестком, передвигающемся по
рельсам специальном помосте-портале.

Портальные краны
являются одним из наиболее распространенных средств механизации
погрузочно-разгрузочных работ в морских и речных портах, а также
монтажно-сборочных работ при постройке и ремонте судов. Кроме того, портальные
краны широко применяются для механизации работ на крупных гидротехнических
строительствах.

Портал представляет
собой пространственную жесткую раму, которая перекрывает железнодорожные пути
или безрельсовые дороги и обеспечивает таким образом свободный пропуск
подвижного состава и безрельсового транспорта.

В некоторых случаях порталы заменяются Г-образными
полупорталами, в которых горизонтальная рама металлоконструкции одной стороной
опирается непосредственно на ходовые тележки, катающиеся по подкрановым
рельсам, уложенным на несущих конструкциях зданий прикордонных складов (рисунок
1.1) или на специальных эстакадах.

В речных портах, имеющих откосные набережные, иногда
применяются полупорталы специальной конструкции, которые перемещаются по
рельсам, уложенным на разных уровнях (рисунок 1.2). Это позволяет приблизить
ось вращения крана к разгружаемому судну, не прибегая к возведению
дорогостоящих массивных стенок набережных. При больших колебаниях уровня воды в
реке во время паводков ходовые тележки, идущие по нижнему рельсу, и часть
металлической конструкции полупортала часто работают под водой.