Анализ зон разрушения при аварии крана

Исследование разрушения соединительных болтов, верхнего и нижнего поясов подъемного крана. Определение силовых факторов в стреле крана. Проверка прочности и устойчивости верхнего пояса. Расчетное обоснование разрушения болтов фланцевого соединения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

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.640781/09 Шевельков А.Н.

Проверил: д.т.н., проф. Дронов В.С.

Тула 2013

Содержание

Введение

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

Введение

Учитывая непрерывную тенденцию в современном машино- и 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°С, 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.

Размещено на

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 промежут...