Исследование крановых металлоконструкций [5(69)]

Citation preview

ТРУДЬI ВСЕСОЮЗНОГО НА УЧНО-ИССЛЕД ОВА ТЕЛЬСКОГО И ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРС}(ОГО ИНСТИТУТА ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ, ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНОГО И СКЛАДСКОГО ОБ ОРУД ОВА НИЯ И КОНТЕЙНЕРОВ В Н ИИП Т М АШ

ИССЛЕДОВАНИЕ КР АНОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ВЫПУСК 5

(69)

Под общей редакцией к.

т.

н.

БОГУСЛАВСКОГО П. !::.'.

ОТДЕЛ ИЗУЧЕНИЯ И ОБОБЩЕНИЯ ОПЫТА ОТЕЧЕСТВЕННОИ И ЗАРУБЕЖНОИ ТЕХНИ К И Москва 1966

В сборнике приведены результаты исследований устойчивости го ф р в го ф рированных стенках крановых ба­ лок и изучения напряженного состоя­ ния вокруг отверстий в сплошностен­ чатых конструкциях, а также резул ь­ таты испытаний алюминиевой модели м еталлоконструкции крана ККТС-20 и натурных испытаний алю.миниево­ го моста крана конструкции ВНИИПТМ.АШ. Сборник предназначается для ин­ женерно-технических работников н а ­ учно-исследовательских и проектно­ .конструкторских институтов и заво­ дов, проектирующих, ИЗГОТОВЛЯЮЩIIХ, подъемно-транс­ эксплуатирующих портную технику.

Инж. КОНЦЕВОЙ Е. М.

УСТОЙЧИВОСТЬ ГОФ Р В СТЕНКАХ КРАНОВЫХ БАЛОI( КОНСТРУКЦИИ ВНИИ ПТМАШ

Величина кр.и11ических .нор� м аль'Ных или касательных н а: п ря­ жений пла сиrны пропорuиО1нальна, как извес11но, кващрату 011но­ шения толщины к ее высоте (о/Ь) 2 • То есть для .повышения у с­ тойчивости пластины необходимо л.и бо увеличить толщину ее, либо уменьшить высоту путем постановки ряда горизонтальных или вертикаль, н ых ребер. Последнее мероприятие, как наиболее целесообразное и экономичное, .находит очень широкое пр.и мене­ лие в различных конструкциях. В последнее вре;vrя в качестве подкрепляющих ребер . в се чаще используется местна я гофриров­ ка стенки. При это�1 приме. н яемые формы гоф р дово.'Iьно разно­ образны: полукруглые, треугольные, трапецевидные и прямо­ угольные. Выбор той или иной формы лофра диктуется, обычно, .соображениями прочности, устойчивости, а иногда и технологич­ ностью конструкции. Поведение гофр в соста в·е лла·стины, находящейся под дей­ ствием на грузок в ее плоскости, отл.и чается от р аботы обычно применяемых ребер (полоса, уголок ·и т. д.) . Ос.но.вное отличие в том, что гофр, вЫlполненный заодно с пла.с тиной, работает совме·с11но с .ней и в то же время является упруnим элемен-гом, испытывающим з1 н ачительные дефор.мации под дей1 с 11вием попе­ речных и пр·одольных сжимающих ( ил.и растягивающих) усилий. Эти фа кторы в пер . в ую оч·ередь оказывают существенное влия­ ние на местную ·И общую устойчиво · с ть самого гофра. При этом .н есколько меняется ра бота пла · стины. При нал , и чии гофр, итраю­ щих .роль своеобразных компенсаторов, . в пла . сти.не, по-в.идимо1 м у, будут отсу-гствовать цепные (мембра1н1н ые) напряжения. То есть ее в этом случа·е можно рассматривать как абсолютно жесткую. Меняются также у1словия закрепления ·п ластины у гофра , при­ чем степень заделки ее будет за 1 в·исеть от соотношения ши·р ины граней гофра и шиrр ины са мой пластины. Указанные факторы требуют спец.и алыного подхода к расчету плжтин, подкреплен­ ных гофра.м и. Применение в вертикальных стен.ках балок мостовых кра нов конструкции ВНИИПТМАШ горизонтальных гофр послужил.о

о сн ова н ием для н а стоящего исследова н ия, целью которого было изучен ие поведе н ия гофр при совмест н ой р а боте с пласти н ой. При этом рассма11р.и ваются только те .виды г.о ф р, к ото р ые ис­ пользуются в указанных кр а1н а х . НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОФРА, ПОДКРЕПЛЯЮЩЕГО ПЛАСТИНУ, ПРИ ДЕЙСТВИИ ПОПЕРЕЧНОЙ СИЛЫ

Отдельный гофр предстивляет собой удлиненную обо.тючку, н а груженную шопер ечной н а1n рузкой. Ха ра.ктер работы гофра, гла вным образом, зависит от от·ношения д ли1н ы его пролета к вы соте l/H. Анализ напряженного состоя1 н ия гофра с ,поз.и ций теори•и оболоч· е к приводит к с ледую щему заключению: есл·и ве­ личина .отношен.ия больше определенного ЧИ'сленного коэффици­ ента т, то гоф р р аб от ае т как обы к н овен ны й стержень, к ра·сч ет у которого применимы формулы ·сопро·т ивлешия мат·ер. и алов.. При l/H �

r---

i'JI. 12

9

30

Фиr. 8.

б)

Конструкция

а) тип /; б) тип /1

го ф р:

Обе паН'ели отличались друг от друга только размерами гофр. В панелях были примен·ены трапецевидные открытые гофры, раз­ меры которых при.в едены на фиг. 8. В вертикальном н аправлении панели подкреплены ребрами. В качестве •матер.и ала образцов и·с пользовался алюм.иниевый сплав АВААТ. Меха 1 н ическне хара. ктери.стики сплава были при­ няты по справочным да няым без специального испытания образ­ цов пластины. Модуль уп1ругости слла · в а АВААТ прин1и·м ался равньпл:

18

Е = О,7 -106 кz/см2•

Па•нели 1подвергались действию изг,ибных и срезывающих уси-

лий. Для создания ука"занных усилий использовалась схема шар­ нирно-опертой по концам од1н оп - р ол· е тной балки, нагружен н ой оооредоточенной силой Р. В средней час· ти балки с помощью спе111иально из.готовл·енных зажимных уст. р ойст:в ( фи: г . 7) �реп.илась панель. Са.ми же балки играли роль удлинителей для создаюц1 необходимой величи·ны изгибающего момента и перерезываю­ щей силы.

Ф иг. 9. Общи й вид ра-спо ложен.и я nри б о­ ров

Полож·ение сосредоточенной нагрузки !ПО дл.wне по. д биралось из условия, чтобы отношен. и е нормальных напряжений в поясах панели к касательным напряжения.м в стенке приближенно рав­ нялось af'r 10. Эта велиЧ"ина также принята из а. н ализа напря­ женного состояния крановых балок. Балки, выполня1 в шие роль удлинителей , .изютовлялись из сплава АМг-6. На!'lружение осуществлялось специальным п1р ессо·м, а отсчет наг.р узки производил.ся по показаниям динамометра типа ДС-3. С целью получ ·е ния данных о потере устойчиво·сти стенки и юфр были произведены замеры линейных боковых деформа,ций из плоскост.и стенки. Боковые дефор·маци.и регистрировались индикаторными го­ л.овками ча•сового т:ипа, укр ·е : п ленными на специальных рамках в П'Ролете па·нели. По высоте стенки в каждом сечении устанав­ ливалось пять и1ндикато. р ов. Отсчет деформаций производился с rочностью 0,01 .мм. Общий вид панели в собранном виде пока­ зан на фиг. На.гружение панели велось ступенями. Пе.р оед началом испы=

2*

9.

19

тан'Ий панели подвергали сь обжатию с проверкой работы всех приборов и самой панели. После обжатия про , и зводилось основ­ н ое нагружение с приращением ,нагрузки ч· е рез 200 кг. В обла­ сти близкой к критической, ·На!1рузка ув.еличивалась через 100 кг. После каждого приращения наг.рузки, панель раз.груж . алась и сн: и мались остаточные деформации. Плжтина считалась поте­ рявшей устойчивость при величине остаточной боковой деформа­ ции, превышающей -величину 0,30 б. 2. Результ аты испытаний

На основании эксперимента была получена подробная кар­ тина поведения верТ>и кальной стенки под действием усил.и й, шри­ ложенных в ее плоскости. При на!1руж·е нии панели с самого начально• г о момента . отмечалось выпучивание стенки совмес11но с гофрОм 1 , что являет­ ся следствием недостаточной жесткости гофра. Если придержи­ ваться п.ри·н ятой ранее К · ласоификации, то его можно отнести к клас.су упругих ребер. Однако макскмальная вел: и чина прогиба гофра была меньше, чем прогибы плжтины. С увеличением н•а­ грузки прогибы гофра также возрастали, приближаясь по ве­ лич. и: не к прогибам пла· с тины. Такая картина нарастан.ия дефор­ маций продолжала•сь до некоторого з1н ачения нагрузки, п.р:и достижении которой в работе гофра п:рои сходил качествен· ный скачок, выражавшийся интенсивным увеличением его деформа­ ций. Гофр пер·еставал выполнять свои функции по.д крепляющеrо элемента и вследств·ие этого дальнейшее выпучива1н:ие стенки мало чем отличал·ось от н еподкрепленной. Но это не оз·начало. что при этом наступало раз,рушение панели. Отмеченное явление •П оказа• н о на графике фиг. 1 0, где по оси ординат отложена наг:рузка, а по оси абсци1 с с - от1ношение м.ак­ сималыной величи1 н ы прогиба пластины к макс: имальному пюо,гибу гофра fnл /r

(�; ).

На фиг. 1 0 отчетливо видно, что с ростом на1грузки величина уменьшается до 1 , то есть до тех пор, пока деформац 1 ия

гофра не сравняет,ся с проги,бом стенки. После этого прогибы стенки начи � н ают и нтенсивно увел: и чиватыся. На Iца представляло собой прямоуголь.ник 20 Х 5 мм. Таким образом на одном образ­ це осуществлялось и сследование пластин сразу двух типов: пр и наличи.и отверстия с подкреплением и без .него. Габаритные раз­ мер ы рассматриваемых отсеков лежали в пределах 60Q X'5 00 м.м, при длине балки 4000 J\iJИ . Отношение толщины стенки к ее вы1 соте составляло - - . Н агружение всех образцов производилось 1 70 сосредоточенной н а.грузкой по схеме двухопорной балки с си­ лой, приложенной посредине пролета . Для предупреждения преждевременной поте.р и местной устойчивости стенки .под н а грузкой предусматривались стойки более мощного сечения (4 Х 50 Х 32 Х 4) . Kpo:vie того пластина в этом районе была раз­ деле.на на меньшие отсеки 290 Х•500 м м . Соеди.н ение стоек с� стенкой производилось заклепка.ми g 8 мм с шагm.1 через каж­ дые 50 м 11.1 . Общая устойчивость б алок обеспечивалась введени­ ем гориз·о нтальных связей по длине балк.и . Эти связи, представ­ ляющие собой ра спорки, шар.нирно с одной стороны крепились к сжатому и растянуто,1у поясу, а с другой к силоrюй ст ен ке, установ.1енной рядом с ба 1 кой. �

86

Принятая конструкция образцов позволила изготовить верти­ кальные стенки вьюокого качества. З а·мер перво.н ачальной боко­ в-ой деформаци и стено.к, произ·веденный с помощью специального для этих целей изготовленного прибора, показал, что максималь­ ная величина б оковой деформации не превыш ала 0,4б (о=З мм толщи.на вертикальной стенки балки) . Согласно п оставленной цели, в ходе экспериментального исследования постоянно про­ изводил.и.с ь за меры деформаций стенки из своей плоско сти и tJап.р яжений в отдельных элементах балки. Б оковые деформации стенки за.м ерялись индикаторными головкам и часового типа, прикрепленных к рамкам, которые н а вешивались н а балку та­ ким образом, что деформации поясов ,не влияли .на показания индикаторов. Э то достигалось тем , что крепление р а м ки к поя­ сам было выполнено •четырьмя болтами, расположенными в плоскости оси симметрии поперечного сечения. Отсчеты показа­ ний ·и ндикаторов снимались для пяти сечений стенки в 35 точ­ ках. Шаг размещения индикаторных головок по дли.не отсека ооставлял 93 .м.м, а по высоте сте.нки 66 .мм от нейтральной оси. Помимо этого производились замеры боковых деформаций, по контуру отверстия. И ндикаторы были установлены в 8 точках через 45° .н епосредственно на кромке отверстия, а .в случае на­ л.ичия подкрепления непосредственно на нем. Благодар я этому мы ·смогли судить о деформ а циях контура отверстия и его под­ крепления. Наряду с и.ндикаторными головками в эксперименте для из­ мерения напряжений были использованы электрические датч.ики с базой 1 5 .мл�. Датчики наклеивались с двух стар.о.в стенки на кромке отверстия по направлению касатель.ной к контуру. Для подкрепленных отверстий они н а клеивались кроме того на коль­ цо с в.нутрен ней стороны. Размещение датчиков на стенке балки БС-·l несколько отлич алось от остальных .б алок. Здесь они б ы.т� и размещены розетками вдоль диагона.ТJей отсека с таким р а сче­ том, чтобы они лежали на контурах окружностей диаметрами 1 50, 250 и 400 л1,w с центром в точке пересечения диагоналей. В процессе .и спыта ний .наряду с электрическим и датчикам.и были применены рычажные тензометры типа Гугенбергера с ба­ З·ОЙ 20 ,�1л.1. и �ш замерялись ,н апряжения в поясах балки в начаае и конце отсека, а также в некоторых точках контура от:аер­ стий. Испытание подготовленных образцов начинало·сь с балки БС- 1 , .н а которой .и сследовался отсек стенки без отверстия. При нагрузках не превышающих пределах пропорциональности ма­ териала, без явлений потери устойчивости стенки ( максим аль­ ные .напряжения в поясах доводились до вел ичины порядка 1 250 кг/с.м2 ) снимались показания индикаторов и электрических датчико в. После этого в стенке высверливалось отверстие с со­ хранением датчиков по его контуру. Ко.нтур отверстия зачищал-

6**

87

ся .на п ильником. Далее испытания пр·ОВодились в упругой · Зоне так же, как и для стенки -без отверст.ия. Таким последовательным высверливанием с помощью одного отсека были исследова.ны боковые деформации стенки и ее на­ пряженное состояние при различ.ных диа метрах отверстий: 1 50, 250 и 400 мм. При отверст.ин 0 4 00 мм стенка доводилась до р азрушения. Аналогичным образом испытывались образцы БС-·2 и БС-3, с той л ишь разницей, ч то нагрузка постепенно доводилась до величины, при которой стенка теряла местную устойчивость. Так как это в первую очередь прои·сходило в отсеке с отвер­ стием без подкрепления, то после усиления его определенным об­ разом, испытания продолжались до явлений потери устойч.иво­ сти в других отсеках. Н агружение балок производилось .в неск·о лько этапов. Н а каждо.м этапе нагрузка доводилась до величины, превышающей нагрузку предыдущего этапа с последующей разгрузкой. После каждого этапа н а гружения сним ались показания всех при,б оров и вычислялись остаточные деформации стенки. За кри­ терий потери местной устойчивости ·стенки прини·малась ее ост а · точная деформация из сво·ей плоскости, п ревышающая 0,36 . Приращение нагр узки н а каждом этапе определялось .вели­ чиной критических напряжений. Обычно в н ачале нагружения оно соста вл я,10 2 т, а затем уменьшалось до 0,5- 1 т. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Прежде чем приступить к рассмотрению основ.ных результа­ тов экспериме.н та, останов.имея .на работе в составе балки сплошной тонкой стенки с толщиной .о > -1- h, находящейся под дейст200

вием изгибающего момента и перерезывающих сил. Этот анализ в дальнейшем поможет раскрытию тех новых явлений, вносимых круглым отверстием. Выделим отдельно п а.нель стенки, ограниченную по длине стойкам.и. Благодаря наличию тонкой стенки и при условии а·б­ солютно жестких н а .и згиб поясов, напряжения, возникающие в балке, будут ра.спределяться ·С ледующим образ.о м: от изгибаю" щего момента они полностью воспри.нимаются пояса :УУ и, а от перерезывающих сил - стенкой. То есть стенка будет на ходить­ ся в условиях ч истого сдвига. А это как .известно соответствует глав.ным напряжениям а1 и а2, которые по а бсолютной величине равны между ·Собой и направлены под углом 45° по отношению к касатель.н ым. Одно из этих напряжений а 1 по знаку растяги­ вающее, а другое сжимающее. При увеличении нагрузки будут ра сти и касательные н апряжения, в определенный момент дости­ гая критического значения, при котором сте.н ка, потеряв устой-

88

чивость, покроется вол нообразными складками, р а сположенны­ ми по направлению действия р а стягивающих .на пряжений