Анализ причин разрушения металлических конструкций опорного узла стрелового крана

Парк грузоподъемных машин в стране сильно изношен. В [1] приведены следующие данные: из 241 903 грузоподъемных кранов 161 778 (т. е. 66,9 %) отработали нормативный срок службы. Таким образом, две трети грузоподъемных кранов требуют замены. Но в большинстве случаев это невозможно из-за высокой стоимости новых машин. Эксплуатация изношенной техники приводит к увеличению числа аварий, к длительным простоям оборудования. Кроме того, растет объем работ по ремонту и восстановлению деталей с применением сварочных технологий.

Для минимизации числа аварий и несчастных случаев при эксплуатации грузоподъемных кранов требуется своевременная диагностика, оценка остаточного ресурса и ремонт.

Конструкция стреловых кранов. Схема поворотного крана, у которого стрела или башенно-стреловое оборудование закреплены на поворотной платформе, размещенной непосредственно на ходовом устройстве, показана на рис. 1, s[2]. Поворотная платформа опирается через подшипник на кольцо, закрепленное с помощью сварных швов на раме платформы крана (рис. 1, б). В процессе работы стрела поворачивается вокруг вертикальной оси и за счет изгибающего момента создает в шве напряжения, изменяющиеся по величине в зависимости от положения груза в пространстве.

Как показывают результаты обследования долго эксплуатировавшихся кранов, действие переменных нагрузок вызывает появление трещин в сварных швах и приводит к разрушению опорного узла в месте крепления к платформе.

Пример такого разрушения — авария грузоподъемного крана Gottwald НМК 170 EG (63 т), которая произошла 24 декабря 2011 года на территории ОАО «Новороссийский морской торговый порт» в Новороссийске.

Для оценки остаточного ресурса подобных конструкций и разработки технологии их ремонта необходимо провести анализ напряженного состояния критических участков сварного соединения и установить места локализации разрушения.

) )

Рис. 1. Схема конструкции стрелового крана: общий вид (а); опорно-поворотный узел (б); 1 — поворотное устройство грузоподъемного крана, 2 — обечайка опорно-поворотного устройства, 3 — верхний лист рамы крана

Цель данной работы состоит в том, чтобы на основании моделирования напряженного состояния рамы и опорного узла стрелового крана провести анализ причин разрушения металлических конструкций и установить закономерности локализации напряжений.

Результаты моделирования напряженного состояния рамы и опорного узла стрелового крана. Мобильный кран НМК 170 EG выбран для анализа по двум причинам. Во-первых, это часто используемая конструкция стреловых поворотных кранов. Во-вторых, в 2011 году на территории ОАО «Новороссийский морской торговый порт» произошла авария аналогичного крана, что позволяет провести качественное сравнение результатов расчета.

В ходе технической экспертизы выявлена причина разрушения узла крепления опорно-поворотного устройства к мобильной платформе. Авария произошла из -за усталостных трещин в зоне перехода от шва к основному металлу в тавровом соединении места крепления обечайки к верхнему листу рамы платформы [3]. Трещина шла по всей окружности вдоль сварного шва узла крепления опорно-поворотного устройства (ОПУ) к верхнему листу мобильной платформы.

При осмотре места аварии на разрушенных частях крана и на отобранных образцах имеются места наклепа, что свидетельствует о знакопеременном характере воздействия нагрузки на кромки трещины в процессе длительной эксплуатации.

3D-MOAenMpoBaHMe напряженного состояния опорно-поворотного устройства крана с учетом его конструктивных особенностей. Для создания модели крана использовалась конструкторская документация, предоставленная ОАО «Новороссийский морской торговый порт». При моделировании использовался программный комплекс «Компас 3D» с последующим расчетом напряженного состояния с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Модель соединения опорного узла и рамы крана показана на рис. 2.

Для расчетов напряженного состояния использовалась система конечноэлементного моделирования ANSYS [4].

3D-мoдeль была импортирована в среду ANSYS Workbench и разбита на конечные элементы (рис. 3). К модели были приложены узлы закрепления и нагрузки, соответствующие частному случаю реальных нагрузок при работе грузоподъемного крана [4]. Груз, прикрепленный к стреле (рис. 1, а,, вызывает появление изгибающего момента. В результате на шов, соединяющий стенку опорного кольца с платформой, действуют силы в вертикальном направлении.

Рис. 2. 3D-модель соединения опорного узла и рамы. 1 — задняя стенка рамы, 2 — правая боковая стенка рамы, 3 — обечайка ОПУ, 4 — усилитель 45°, 5 — внутренний сварной шов, 6 — усилитель 315°,

7 — нижнее основание рамы, 8 — фронтальная стенка рамы, 9 — левая боковая стенка рамы, 10 — усилитель 225° 11 — усиливающий цилиндр, 12 — наружный сварной шов, 13 — усилитель 135°

Рис. 3. Разбиение модели на конечные элементы с указанием нагрузки

Очевидно, что величина действующих сил распределяется неравномерно вдоль шва. Кроме того, при повороте стрелы крана величина и направление действия сил могут изменяться. Это способствует накоплению повреждений на различных участках сварного соединения.

Результаты моделирования напряженного состояния в узле сочленения опорного узла и платформы показали наличие четырех явно выраженных зон локализации напряжений вдоль шва (рис. 4). Можно предположить, что их появление связано с поворотом стрелы крана, но более детальный анализ позволил выявить более важную причину локализации напряжений на этих участках конструкции платформы.

а)                                                                              6 )

Рис. 4. Расчет напряженно-деформированного состояния: распределение зон локализации напряжений вдоль сварного шва (эквивалент напряжения по фон Мизесу) (а); зона пересечения ребра и опорного кольца (б). 1 — обечайка опорно-поворотного устройства, 2 — сварной шов, 3 — ребро жесткости, 4 — верхний лист рамы

На рис. 4, а видно, что зоны локализации напряжений совпадают с расположением ребер жесткости под опорной плитой (если смотреть сверху под углами 45°, 135°, 225° и 315°), которые ограничивают упругую податливость листа платформы. В результате участки шва, расположенные в зоне пересечения ребра и опорного кольца, воспринимают большую нагрузку, а соседние участки оказываются разгруженными. На рис. 4, ^наглядно представлена картина распределения напряжений в стенке обечайки опорно-поворотного устройства 1 на участке сопряжения с ребром 3 поворотной платформы. Наибольшая величина напряжений наблюдается в сварном шве 2 в районе пересечения обечайки и ребра жесткости. По мере удаления от зоны пересечения в сварном шве отмечается резкое снижение напряжений. Можно предположить, что такой характер распределения напряжений связан с увеличением жесткости узла сопряжения в районе расположения ребра. По мере удаления от ребра жесткость опорной плиты уменьшается, что способствует уменьшению усилий, передаваемых через шов.

Влияние неодинаковой жесткости соединяемых элементов на распределение напряжений подробно исследовано в работах [5-7] и используется в расчетах прочности сварных соединений ферм из полых стержневых элементов. Например, Еврокод 3 [8] рекомендует для компенсации неравномерного распределения нагрузки вдоль сварного соединения принимать в расчет уменьшенную длину шва (вводить корректирующий коэффициент), учитывая возможность того, что только часть длины сварного шва может эффективно воспринимать нагрузку.

Наличие зон с повышенным уровнем напряжений подтверждается результатами анализа разрушения стрелового мобильного крана НМК 170 EG. Трещины были обнаружены в местах подкрепления опорного листа рамы ребрами жесткости, а именно — при виде сверху под углами 45°, 135°, 225° и 315°. Моделирование дало такие же результаты (рис. 4, а ).

Выявление концентраторов напряжений в сечении опорно-поворотного узла. Появлению усталостных трещин способствовала локализация напряжений, обусловленных неодинаковой жесткостью конструкции вдоль сварного соединения. Кроме того, сыграла роль неблагоприятная геометрия профиля сварного шва таврового соединения опорного кольца с платформой (рис. 5, s). Толщина опорного кольца в зоне перехода от шва к основному металлу имеет несоизмеримое утонение, и эта зона фактически является треугольным надрезом, что создает высокую концентрацию напряжений, способствующую возникновению усталостных трещин. Результаты расчетов (рис. 5, б) подтверждают высокий уровень напряжений в этой зоне.

)                                                )

Рис. 5. Результаты анализа обследования зоны перехода в сечении опорно-поворотного узла грузоподъемного крана: схема (а); напряжения по фон Мизесу (б). 1 — верхний лист рамы, 2 — наружный шов, 3 — обечайка ОПУ, 4 — внутренний шов

Заключение. Особенности напряженного состояния конструкций подробно исследованы в работах [9-12]. Предложены различные способы по снижению локальных напряжений в зонах их концентра ции.

• 1.    Наибольшая концентрация напряжений возникает в зоне перехода от основного металла к металлу сварного шва. Это обусловлено несовершенством конструктивного оформления таврового соединения. Для увеличения долговечности соединения и остаточного ресурса рекомендуется вдоль сварного шва произвести наплавку металла с целью увеличения толщины сечения и обеспечения плавного перехода от шва к основному металлу.

• 2.    В зонах расположения ребер жесткости имеет место локальное повышение напряжений, обусловленное неравномерным распределением податливости соединяемых элементов вдоль шва. Именно на этих участках рекомендуется устанавливать подкрепляющие планки при ремонте поврежденной конструкции.

• 3.    Рекомендуется при ремонте сварного узла установить дополнительные накладки, обеспечивающие плавное изменение податливости сварного узла в месте расположения ребра жесткости платформы.