Металлические конструкции подъемно-транспортных машин

Гохберг М.М.

Машиностроение, 1969 г.

Для металлических конструкций кранов применяются мартеновские прокатные стали углеродистые и низколегированные и в отдельных случаях прокат из алюминиевых сплавов (см. гл. 7). В последнее время металлургическая промышленность освоила выплавку конверторных сталей по качествам, близким к мартеновским, и эти стали могут применяться в металлических конструкциях подъемно-транспортных машин, не рассчитываемых на выносливость, и в первую очередь для конструкций, работающих в отапливаемых помещениях. Существующие стали высокой прочности с пределами текучести 45—75 кгс/ммг не допускаются в конструкциях, в которых могут возникнуть явления усталости [29], что резко ограничивает возможности их применения в конструкциях подъемно-транспортных машин.

Углеродистые стали по ГОСТу 380—60* поставляются по группе А с гарантированными механическими свойствами, по группе Б — с гарантированным химическим составом и по подгруппе В — с одновременной гарантией по химическому составу и по механическим свойствам. Для сварных металлических конструкций подъемно-транспортных машин следует применять сталь подгруппы В, для которой гарантируемыми механическими характеристиками являются: предел текучести о>, временное сопротивление разрыву а„ относительное удлинение е, загиб на 180° в холодном состоянии и ударная вязкость ан при нормальной температуре (+20° С).

Усталостные характеристики основного металла не являются нормированными. В качестве предела выносливости основного металла для металлических конструкций следует принимать предел выносливости, полученный при испытаниях в условиях осевых деформаций растяжения — сжатия на специальных машинах — пульсаторах для образцов с прокатной поверхностью, т. е. для материала в том состоянии, в каком он применяется в конструкциях.

Качество поверхности проката существенно влияет на его предел выносливости, так как механические и коррозионные дефекты являются концентраторами напряжений и могут служить очагами зарождения усталостной трещины. Особенно сильно, на 20% и более [36], может быть снижена усталостная прочность в результате обезуглероживания поверхностного слоя, получающегося, например, из-за чрезмерного перегрева поверхности проката. Важно отметить, что так как дефектный поверхностный слой весьма тонок, то его влияние не сказывается ни на химическом анализе, ни на механических свойствах материала. Кроме прямых усталостных испытаний обезуглероживание хорошо устанавливается с помощью микроструктурного анализа. По ГОСТу 380—60* для стали подгруппы В по требованию заказчика должна быть гарантирована лишь нормальная микроструктура, что не всегда достаточно. Внешним показателем чрезмерного перегрева проката может служить большой слой окалины.

Результаты испытаний листового металла с прокатной поверхностью показывают, что отношение предела выносливости при симметричном цикле a_j к пределу прочности ав сравнительно стабильно и как для углеродистых, так и для низколегированных сталей близко к значению 1/3. Состояние кромок проката влияет на предел выносливости основного металла. Если кромки проката обрезаны газовой резкой хорошего качества, то значения эффективного коэффициента концентрации напряжений k могут быть приняты равными: при ручной резке углеродистых сталей к = 1,4 и низколегированных k = 1,8, при машинной резке соответственно ft = 1,1 и к = 1,2 [77].

При изменении ширины листа, находящегося в условиях осевых деформаций растяжения — сжатия, с помощью механической обработки, концентрация напряжений у места изменения сечения зависит от величины радиуса перехода R. При R 3* 300 мм можно считать и для углеродистой и для низколегированной сталей к = 1,0. Для стали марки Ст.З при R = 10 мм, к.= 1,6, а в случае прямого угла k =х 2,0 [36].

Прокатные элементы, из которых образуются металлические конструкции, вырабатываются определенных типоразмеров, устанавливаемых у нас стандартами (ГОСТ). Набор этих элементов с указанием их геометрических характеристик носит название сортамента. Сортамент, являющийся основой стандартизации в металлических конструкциях, расширяется с развитием промыш» ленности.

Прокатные стали делятся на две основные группы.

1. сталь листовая — толстолистовая (ГОСТ 5681—57), широкополосная (ГОСТ 82—57) и полосовая (ГОСТ 103—57).

2. сталь профильная или сортовая — угловая равнобокая (ГОСТ 8509—57) и неравнобокая (ГОСТ 8510—57), швеллеры (ГОСТ 8240—56), балки двутавровые (ГОСТ 8239—56), балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 6183—52), трубы стальные бесшовные (ГОСТ 8732—58), сварные стальные трубы (ГОСТ 10704—63), гнутые профили (ГОСТ 8276—63—8283—63) и другие профили.

Листовая сталь — наиболее часто применяемый вид прокатной стали, употребляется главным образом в виде толстолистовой стали. Удельный вес ее в металлических конструкциях все время продолжает увеличиваться. Введение в сортамент широкополосной и полосовой стали имеет целью получение заводом-изготовителем конструкций готовых полос необходимой ширины, что уменьшает его затраты на обработку металла.

Уголковый профиль является самым ходовым из фасонных профилей. Уголки делятся на равнобокие (с одинаковой шириной полок) и на неравнобокие (с отношением ширин полок 1,33—1,67, а чаще всего 1,5). Уголки применяются в качестве элементов, работающих на осевые усилия, и соединительных элементов. Равнобокие и неравнобокие Уголки выполняют в металлических конструкциях одинаковые функции, и выбор того или иного типа зависит от конструктивных соображений. Ширина полки в сантиметрах соответствует номеру уголка. В сортаменте уголок каждого номера имеет несколько толщин. В общем случае предпочтительно применять Уголки с возможно более тонкими полками, если даже это приводит к увеличению их номеров.

Швеллеры применяются в элементах, работающих на осевые усилия, и в виде балок, работающих на поперечный изгиб. Двутавры применяются исключительно для элементов, работающих на поперечный изгиб. швеллеры и особенно катаные двутавры находят в металлических конструкциях подъемно-транспортных машин по сравнению с другими профилями меньшее применение.

Трубы применяются для элементов, работающих на осевые усилия" Для сжатых стержней трубы являются наилучшим типом сечения. Поэтому трубы особенно выгодны для конструкций с большим числом сжатых стержней, как например, башни, мачты, опоры, стрелы и т. п. В трубчатых конструкциях благодаря большим радиусам инерции кольцевых сечений возможно осуществление панелей большой длины, т. е. уменьшение количества нулевых стержней. Стержни из одной трубы по сравнению с составными стержнями из угольников и швеллеров имеют преимущество в отсутствии соединительных элементов. Стержень