Саргужин М.Х., Атажанов Ж.А.

Казахстанский Университет «Алатау», Казахстан, Алматы

Проблемы долговечности систем «колесо-рельс» специального крана

Специальные металлургические краны являются одним из важнейших средств механизации погрузо-разгрузочных, складских, технологических, монтажных и других работ, используемые в металлургическом производстве. Для принятия мер по их надежной работе и снижению износа механизмов передвижения необходимо провести исследование недостатков механизма передвижения крана, что является целью данной работы.

Металлургические краны, работая в тяжёлых производственных условиях, испытывают четыре основных вида нагрузок: статические динамические, ударные и технологические [1].

Стандартизировать детали и узлы кранов до настоящего времени не удалось, поэтому каждое предприятие, эксплуатирующее специальные металлургические краны, решает проблему запасных частей самостоятельно, в основном, восстанавливая изношенные поверхности наплавкой или изготавливая новые колёса силами ремонтных служб. Если ранее затраты на эксплуатацию и ремонт подъёмно-транспортного оборудования и систем принимались как сложится, то в последние годы эти статьи расходов резко лимитируются, учитывая многократное повышение цен на металл, наплавочные материалы и энергоресурсы. В связи с этим, проблема повышения надёжности и долговечности деталей и узлов кранов является актуальной проблемой.

По литературным источникам сравнительная стоимость восстановления колеса по отношению к стоимости нового составляет, усреднено, в %:

- по колесу диаметром 800 мм ремонт: одной реборды 22, поверхности катания 44, поверхности катания и двух реборд 62…75.

- по колесу диаметром 900 мм ремонт: двух реборд 22…36, поверхности катания и двух реборд 45…50.

При этом, как правило, реборды подвергаются ремонту наплавкой 4 раза, а поверхности катания дважды, что ограничивается появлением циклических трещин в металле колёс.

Согласно [2] для путей мостовых кранов смещение рельса относительно оси стенки не должно превышать 15…20 мм, т.е. не параллельность осей рельсов должна быть в этих пределах. Взаимное смещение торцов стыкуемых рельсов в плане и по высоте 2…3 мм. Зазоры в стыках рельсов не более 4 мм. Отклонение рельсов от прямой линии на базе 10 м (кривизна) не более 15…20 мм.

Согласно [3] износ рельса по поверхности качения допускается 4…8 мм, по боковым поверхностям головки рельса 10 мм (по 5 мм с каждой стороны). Эти допуски предопределяют ширину колеса между ребордами, которую можно уменьшить, если конструкция колеса позволяет само устанавливаться относительно положения рельса.

При движении специальных металлургических кранов по подкрановым путям всегда возникает стремление ходовых колес, движущихся по одному из рельсов, опережать колеса, движущиеся по другому рельсу. В результате возникает перекос крана, который сперва происходит свободно благодаря имеющимся зазорам между ребордами ходовых колес и рельсом и вдоль осей ходовых колес. После соприкосновения реборд колес с рельсами дальнейший перекос может происходить за счет упругих деформаций металлической конструкции крана в горизонтальной плоскости.

Перекосы вызываются большим количеством одновременно действующих причин, главные из которых: 1) наличие разницы в диаметрах ведущих колес в результате допусков на изготовление и неравномерного износа в эксплуатации; 2) перекосы осей колес в горизонтальной плоскости, из-за чего плоскость качения такого колеса не совпадает с направлением движения крана; 3) различие в углах закручивания трансмиссионных валов механизмов передвижения при центральном приводе; 4) различие в скоростях вращения электродвигателей и неодновременное срабатывание тормозов при раздельном приводе; 5) проскальзывание и пробуксовка приводных колес; 6) состояние подкрановых путей; 7) оба колеса имеют перекос относительно рельса в одну сторону; 8) одно колесо имеет перекос, второе, расположенное на другом конце трансмиссионного вала, установлено правильно; 9) оба ведущих колеса имеют перекос в разные стороны внутрь относительно рельсов; 10) оба ведущих колеса имеют перекос в разные стороны наружу относительно рельсов. Таким образом, наличие перекосов и в связи с этим возникающих боковых сил между краном и подкрановым путем неизбежно. Эти боковые силы направлены перпендикулярно к "направлению движения и приложены к ребордам ходовых колес или к направляющим роликам у безрёберных колес. Обычно эти боковые силы учитываются для элементов конструкций, непосредственно воспринимающих давления на колеса (концевые балки, балансиры и т. п.), а также для расчета перегрузочных мостов.

На базе многочисленных исследований и статистических данных основными причинами и факторами, влияющими на износ подкранового пути, являются:

- недостаточная жесткость фермы моста;

- неправильно подобранный профиль беговой дорожки и реборд ходовых колёс крана;

- конструкция и тип подкрановой балки;

- напряжения, вызываемые нагрузками в элементах подкранового пути, выше, чем допускают выбранные материалы;

- низкое качество слесарно-сборочных работ и строительно-монтажных работ при сооружении подкранового пути и монтажа крана;

- неисправности в механизме передвижения моста крана и элементах подкранового пути;

- количество, грузоподъёмность и режимы работы кранов, работающих на одном пути;

- нарушение правил технической эксплуатации кранов;

- одновременное сочетание перечисленных выше факторов ускоряет износ.

При движении специальных металлургических кранах возникают колебания в его металлоконструкциях и трансмиссионных валах, кроме того, происходит раскачивание груза.

Для упрощения изучения и анализа все встречающиеся в практике разрушения подкранового пути разделяются на две группы.

К первой группе относятся все случаи выхода из строя подкрановых путей вследствие естественного износа в течение установленного срока службы, ко второй группе – все виды преждевременного разрушения любого из их элементов под действием неучтённых проектом факторов.

Изучение причин выхода из строя подкранового пути вследствие естественного износа отдельных его звеньев, несмотря на необходимость увеличения долговечности, имеет менее актуальное значение, чем изучение и устранение причин, порождающих преждевременное (аварийное) разрушение подкранового пути.

Практикой работы установлены следующие виды разрушений (износов) элементов подкранового пути:

- все виды разрушения подкранового рельса;

- разрушения деталей крепления рельса;

- элементов конструкции постели подкранового пути;

- элементов крепления постели подкранового пути к балкам;

- верхней плоскости подкрановой балки;

- разрушения поверхности опор подкрановой балки;

- осадка колонн здания цеха.

К характерным, чаще всего встречающимся видам разрушения подкранового рельса относится срезание боковых граней рельса в результате перекоса ходовых колёс фермы и моста или местного или общего сужения (расширения) расстояния между осями подкранового рельса. При движении крана вследствие недостаточной жесткости фермы моста и отсутствия разбега ходовых колёс одна сторона моста забегает вперёд, реборды ходовых колёс, упираясь в боковую грань подкранового рельса, срезают стружку. При большом износе кран сходит с рельсов. Большие усилия, возникающие при заклинивании моста, не только останавливают кран, но и разрушают крепления подкранового пути, что требует проведения длительного и дорогостоящего ремонта. Как правило, во время ремонта усиливают жесткость фермы крана путём приварки раскосов к ферме и стенкам поперечной балки, меняют типовые (проектные) ходовые колёса на колёса с ровным профилем реборд повышенной высоты, применяют в дальнейшем систематически смазку боковых граней рельсов. Последнее не всегда приемлемо, т.к. попадание смазки на катающую поверхность колеса и рельса снижает трение, порождая режимы буксования и юза.

Срезание боковых граней рельсов происходит также в результате перекоса валов (осей) ходовых колёс или из-за сужения расстояния между осями ходовых колёс в одной половине фермы моста крана.

В местах стыка рельсов срезание боковых граней и износ поверхности качения наиболее интенсивные из-за дополнительного действия ударных нагрузок.

Прогибы рельсов и проскальзывание колёс вызывают волнообразный износ и образование выбоин на верхней рабочей плоскости рельсов.

Вследствие действия знакопеременных нагрузок в рельсах со временем образуются усталостные трещины, что приводит к поперечным разрушениям, а остаточные напряжения и дефекты приварки рельсов в местах их крепления в виде концентраторов напряжений приводят к внезапному разрушению рельсов с непредсказуемыми последствиями.

Установка непроектного типа рельсов и вида крепления, некондиционных кусков рельсов, большие зазоры в стыках и несносность (более 5 мм) при ремонтах подкрановых путей зачастую приводят к авариям.

Указанные причины сокращают срок службы рельсового пути с проектных 8 лет (в среднем) до капитального ремонта - до 2…3 лет.

Срок службы рельсового пути сокращается также, в результате несоответствия марок стали и твёрдости беговой дорожки и реборд крановых колёс по сравнению с твёрдостью подкрановых рельсов.

В результате неравномерности износа колёс появляется значительная разница в диаметрах колёс на разных сторонах моста, что приводит к перекосам моста и интенсивному износу реборд колёс и боковых граней рельсов.

Анализ разных источников информации позволяет сделать вывод о том, что интенсивность износа пары рельс-колесо преобладает от действия поперечного скольжения, а продольное качение приводит к интенсивному износу только в режимах пробуксовки и юза. Износ колес и рельсов от действия ударных нагрузок наиболее интенсивен.

Точность установки крановых колёс на осях, параллельность самих осей относительно друг друга и корпуса моста, параллельность и разно высотность рельсов, их кривизна и состояние требуют недостижимой на практике идеальности, поэтому проектные (расчётные) сроки службы кранов и их узлов значительно отличаются от реальных. В случае отклонений крана от оси рельсового пути на угол более 1'43'' будет иметь место поперечное скольжение колёс по рельсам. Поэтому наиболее рациональное решение проблемы просматривается в создании и применении самоустанавливающихся относительно рельсов крановых колёс [4].

В настоящее время современным методом расчёта ходовых колёс является расчёт по [5], который учитывает объёмное напряженное состояние в зоне контакта колеса с рельсом и число оборотов колеса за срок его службы (усреднено 10000 оборотов). Диаметр колеса и тип рельса выбираются в зависимости от максимальной статической нагрузки на колесо (200…1000 кН), т.е. пропорционально грузоподъёмности крана с учётом его быстроходности (1,0…3,0 м/с).

Так как рельсовый путь является более дорогостоящим сооружением, а требования к рельсам более жесткие, то колесо должно иметь более низкие служебные свойства, т.е. изготавливаться из более дешевых марок стали или из чугуна с уровнем твёрдости после термообработки в пределах 190…350 НВ и уровнем допускаемых расчётных напряжений 600…900 МПа. То есть - колёса рассматриваются как запасные части к кранам.

По зарубежным литературным источникам, в последнее время, крановые колёса изготавливают из отливок высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с эффектом самосмазки или из легированной стали. Например, во Франции колёса изготавливают из поковок стали 35С14 следующего химического состава: С-0,3…0,4, Мn-0,4, Si-0,35, Ni-3,2…3,7, Cr-1,2…1,5, Мо-0,2…0,3 с уровнем твёрдости 450…500 НВ. Т.е. за рубежом ходимость колёс увеличивают за счёт применения высококачественных материалов.

В связи с появлением новых конструкций крановых колёс с более высокими служебными характеристиками, чем в ГОСТах, их производство осуществляется в соответствии с специальными техническими условиями, утверждёнными и зарегистрированными в органах Госстандарта в установленном порядке.

Наибольшую актуальность в настоящее время приобрели разработки, посвящённые решению этой комплексной задачи. Анализ патентной информации свидетельствует о попытках создать самоустанавливающееся крановое колесо, которое частично компенсирует недостатки рельсового пути, однако избавиться от износа, пока существует пара трения, невозможно. Кардинально решает проблему создание специального металлургического мостового крана на магнитной подушке, но уровень финансового состояния предприятий не позволяет заказывать разработки такого уровня, а существующая инфраструктура производства не в состоянии обеспечить сервисное обслуживание нового поколения техники.

Таким образом, при работе крана необходимо обеспечить:

- ограничение угла перекоса металлоконструкций крана для уменьшения износа реборд колес и рельсового пути;

- уменьшение раскачивания подвешенного на канате груза путем разработки рациональных способов успокоения его колебаний;

- проскальзывание и пробуксовка приводных колес;

- недостаточная жесткость фермы моста;

- неисправности в механизме передвижения моста крана и элементах подкранового пути;

сочетание перечисленных факторов позволят долговечности систем «колесо-рельс» специального крана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петухов П.З., Ксюнин Г.П., Серлин Л.Г. Специальные краны М.:Машиностроение, 1985. 248 с.

2. Строительные нормы и правила (СНиП) 111-18-75

3. Госгортехнадзора России от 08.08.95 № 41 Требования

к устройству и безопасной эксплуатации рельсовых путей козловых кранов

4. Кириченко А.И. Подкрановые пути.-М: Машиностроение,1966.-119 c.

5. Отраслевой стандарт 24.090.44-82