Доронин С.В., Бабушкин А.В. Механика разрушения. Разрушения и дефектность технических систем

Подождите немного. Документ загружается.

ту и месту непосредственного возникновения. Рассмотрим наиболее ха-

рактерные дефекты следующих элементов кранов мостового и козлового ти-

пов: концевых балок, главных балок, ферм пролетных строений, сварных и

клепаных; грузовых тележек.

К о н ц е в ы е б а л к и. Находящиеся в настоящее время в эксплуата-

ции мостовые краны имеют по конструктивному исполнению два вида кон-

цевых балок: с резко изменяющейся высотой сечения (рис. 2, а, б, в) и с по-

стоянной высотой сечения (см. рис. 2, г). Балки первого вида использованы

на всех кранах старого и нового выпусков. Балки второго вида применены

преимущественно на кранах, изготовленных до 1940 г. В последнее время на

зарубежных кранах все чаще применяют балки с постоянной высотой сече-

ния. Отечественные краностроительные заводы концевые балки первого

вида выпускают нескольких модификаций (см. рис. 2). Отличаются балки

этих модификаций углом наклона переходной части (угол наклона 90°

и 135° – для модификации I, II), а также наличием дополнительных элемен-

тов жесткости (модификация III).

Таблица 1

Этапы развития расчетов конструкций

Область науки Отрасль техники Примерные сроки

Динамика и прочность ма-

шин

Сельскохозяйственные машины,

автомобили, технологическое обо-

рудование

Конец 1930-х гг.

Усталость и долговечность Авиация, транспорт, гидроэнерге-

тика

Конец 1940-х гг.

Низкотемпературная проч-

ность

Северная, криогенная техника Начало 1950-х гг.

Малоцикловая усталость Тепловая энергетика, нефтехимия 1960 г.

Ползучесть и длительная

прочность

Сельскохозяйственные машины,

авиация, энергетика

Середина 1960-х гг.

Надежность и ресурс машин Общее машиностроение Конец 1960-х гг.

Механика разрушения Реакторостроение 1970 г.

Живучесть машин Термоядерная энергетика, ракето-

строение

Конец 1970-х гг.

Безопасность машин Потенциально опасные объекты Середина 1980-х гг.

Основными дефектами концевых балок являются многочисленные

трещины, появляющиеся в местах крепления угловых букс. Образование

трещин в зависимости от модификации конструкции строго локализировано

определенными очагами. На рис. 3 принадлежность трещины определенному

очагу обозначена арабской цифрой. Первый очаг – сварной шов соединения

вертикальной стенки с нижним поясом (платиком) в зоне изменения высоты

поперечного сечения балки. Трещины 1 возникают в криволинейной части

перехода от меньшего сечения к большему. Очень часто трещины со сварно-

го шва распространяются на основной металл.

а б

Рис. 2. Конструкция концевых балок: а – модификации I; б – модификации

II; в – с дополнительным элементом жесткости модификации III; г – с неиз-

меняющейся высотой сечения

Второй очаг – входящие углы вырезов. В вертикальных стенках такого

рода очагом являются вырезы под болтовые соединения букс (см. рис. 3).

Трещины 2 формируются в углах вырезов, поражая затем основной металл

стенки. В концевых балках модификации III (рис. 4, б) трещины начинаются

от входящего угла выреза и распространяются на сварной шов крепления

усиливающей коробки. Трещины 2 также являются очагом разрушения шва в

криволинейной части балки. На некоторых кранах малой грузоподъемности

(5–10 т) вырез в нижней части балки окантовывают кольцом (см. рис. 2, в,

4, а). В этих вырезах происходит разрушение кольца по основному металлу

или возникают трещины в сварных швах соединения кольца с нижним поя-

сом и вертикальной частью его (см. рис. 4, а). В углах вырезов нижнего пояса

и торцевого листа балки (см. рис. 3) также возникают трещины.

Третий очаг – ребра жесткости, подкрепляющие стенку. Разрушение

начинается с образования трещины 3 обычно в местах приварки кромки реб-

ра к поясу. Затем трещина распространяется на сварной шов соединения

стенки с поясом и на основной металл. В большинстве случаев ребра жестко-

сти являются очагами начала разрушения балки.

Рис. 3. Очаги разрушений концевых балок модификации I

б в г

Рис. 4. Разрушение концевых балок различных модификаций: а – разруше-

ние подкрепления нижнего выреза под болтовое крепление; б – распростра-

нение трещины на подкрепляющий элемент; в – очаги разрушений балок

модификации II; г – очаги трещин в балке с постоянным сечением

Четвертый очаг – трещины 4 в основном металле вертикальной стенки.

Трещины возникают в стенке на расстоянии 100–150 мм от вертикального

пояса в местах установки диафрагм. В балках модификации II наиболее под-

верженными разрушению являются углы перехода (см. рис. 4, б), где имеют-

ся стыковые швы.

Характерными дефектами в концевых балках с постоянной высотой се-

чения являются трещины в местах приварки накладок на боковых стенках

или по нижнему поясу (см. рис. 4, г).

Г л а в н ы е б а л к и. Повреждения верхнего пояса коробчатых балок

в процессе эксплуатации характерны только для кранов тяжелого режима ра-

боты, когда вес поднимаемого груза близок к номинальному. Наиболее под-

вержены разрушению пояс под стыком рельса и свободные кромки его

(рис. 5). В зоне стыков трещины появляются в местах приварки элементов,

крепящих рельс («петушки»), и распространяются на все сечение пояса. Дру-

гими очагами образования трещин являются места приварки к поясу различ-

ных элементов. В отличие от указанных случаев трещины появляются на

свободных кромках пояса не только в результате длительной эксплуатации,

но и до монтажа крана при транспортировке и хранении балки.

Рис. 5. Разрушение верхнего пояса

В нижнем поясе основным очагом разрушения является место измене-

ния высоты балки в непосредственной близости от опорного узла крепления

(рис. 6). Трещины образуются в сварном шве соединения пояса со стенкой в

месте перегиба пояса и распространяются на основной металл. Сначала тра-

ектория трещины перпендикулярна поясу, а затем на расстоянии 100–150 мм

от пояса она разветвляется (рис. 6). Одна из трещин продолжает развиваться

вертикально, другая – наклонно под углом к горизонтали около 45°. Возмож-

ны случаи, когда трещина переходит от сварного шва в основной металл

нижнего пояса.

Рис. 6. Разрушение узла соединения главной и концевой балок

Вертикальные стенки разрушаются вследствие приварки к ним различ-

ных элементов. Трещины возникают часто в местах приварки кронштейнов,

поддерживающих рабочие площадки (рис. 7), особенно на кронштейнах, ус-

тановленных под электрооборудованием и механизмами передвижения.

Трещины появляются в стенке в непосредственной близости от сварного шва

крепления кронштейна. Далее они распространяются в горизонтальном на-

правлении, чему способствуют продольные швы крепления настала к стенке.

Трещины могут достигать значительных размеров (до 500 мм). При движе-

нии моста крана, вследствие колебаний площадки, наблюдается раскрытие

трещин.

Рис. 7. Разрушение стенок в местах крепления кронштейнов

При эксплуатации пролетные балки мостовых кранов постоянно де-

формируются в вертикальной плоскости. В начальной стадии деформация

проявляется в уменьшении строительного подъема, вплоть до его исчезнове-

ния. В дальнейшем балка приобретает постоянно увеличивающийся (без на-

грузки) так называемый отрицательный или остаточный прогиб. Рассмотрим,

в какой последовательности происходит деформация. В первый период не-

прерывное увеличение прогиба балки происходит по определенному закону.

Затем нарастание прогиба балки замедляется, после чего следует резкое уве-

личение деформаций, ведущее к аварийному состоянию конструкции.

Ф е р м ы. В основном дефекты и повреждения ферм наблюдаются в

узлах соединений элементов. Для сварных конструкций характерны повреж-

дения: в виде обрыва элементов, трещин в нижнем поясе, в местах приварки

раскосов горизонтальной фермы. Наибольшее число повреждений происхо-

дит в узлах, в которых элементы горизонтальной фермы непосредственно

прикреплены к поясу без косынок (рис. 8, б). Трещины и разрушения возни-

кают наиболее часто в стыковых соединениях нижних поясов (см. рис. 8, б, в)

и узлах опорных раскосов. Повреждения узлов вспомогательной фермы мо-

гут нарушить работу всей конструкции. На рис. 8, а показаны типичные раз-

рушения сварных узлов вспомогательных ферм.

б в

Рис. 8. Характерные разрушения ферменной конструкции: а – вспомога-

тельной фермы в узлах I и II; б – разрыв нижнего пояса главной фермы; в –

стыкового шва соединения нижнего пояса главной фермы мостового грей-

ферного крана

В клепаных конструкциях трещины возникают преимущественно в

стыковых соединениях и элементах, подвергающихся воздействию местной

нагрузки. К ним относятся поясные уголки верхних поясов главных ферм, а

также места крепления поперечных связей с ездовыми балками козловых

кранов. В узлах соединений встречаются следующие дефекты заклепок: не-

плотное прилегание, сбитые, зарубленные и рваные головки, наличие заусе-

ниц. Учитывая, что эти дефекты возникают на кранах, которые эксплуатиру-

ются длительное время, целесообразно заменять только ослабленные или

вышедшие из строя заклепки.

При рассмотрении дефектов и повреждений металлических конструк-

ции кранов было уделено внимание трещинам и вероятным местам их появ-

ления. Разрушение металла не является мгновенным процессом. Процесс

разрушения складывается из непрерывного роста трещины (микро- и макро-

трещины). Необходим некоторый период времени и определенные условия

для развития трещины и достижения ею критических размеров, чтобы про-

изошло разрушение. Таким образом, особую важность в деле своевременного

предупреждения распространения трещин приобретает критический разбор

наиболее серьезных аварий [58].

Пример 1. В процессе подъема груза произошло разрушение и падение

главной балки мостового крана грузоподъемностью 30/10 т, пролетом 19,5 м.

До аварии кран, изготовленный в 1956 году, 18 лет эксплуатировался в тяже-

лом режиме. Главные балки были выполнены сварными в виде главной и

вспомогательной ферм (рис. 9, а, б). Падение крана вызвано разрушением

нижнего пояса главной фермы на расстоянии 7,2 м от опорной части крана.

Причем излом произошел в узле присоединения к поясу раскосов горизон-

тальной фермы (см. рис. 9, б). При исследовании излома было установлено

наличие усталостных трещин в элементах сечения фермы. В нижнем поясе

трещина, имеющая притертые поверхности, начала развиваться между двумя

раскосами горизонтальной фермы (см. рис. 9, б). Длина трещин составила 1/3

длины полки. Усталостные трещины в изломе обнаружены также в верти-

кальном листе верхнего пояса. Одна из них начиналась от нижней кромки

листа в сварном стыке, а другая (протяженностью 550 мм) – в соединении

пояса со стенкой (см. рис. 9, б). В химическом составе металла отмечались

следующие дефекты: в нижнем поясе было повышенное содержание углеро-

да (0,25 %), серы (0,076 %), раскосы горизонтальной фермы содержали угле-

род 0,28 % при количестве серы 0,067 %. Во всех элементах была использо-

вана сталь марки Ст3кп.

Механические свойства металла (верхнего пояса) не удовлетворяли

требованиям в части относительного удлинения, которое составляло 17 %.

В то же время ударная вязкость металла всех элементов при температу-

ре –20 °С была не ниже 4,6·10

Дж/м

Причинами аварии является длительная эксплуатация при наличии ус-

талостных трещин в элементах, неудовлетворительное качество металла.

Следует обратить внимание, что возникновение трещин произошло в узле, в

котором отсутствовали косынки.

Рис. 9. Мостовой кран грузоподъемностью 30/10 т: а – схема разрушенного

моста; б – очаги образования усталостных трещин

Пример 2. Мостовой кран грузоподъемностью 15 т, пролетом 28 м тя-

желого режима эксплуатировался с 1951 г. В 1975 г. при поднятии груза 13 т

произошло разрушение главной балки в сечении на расстоянии 7 м от торца

крана. Кран был выполнен в виде сварных балок двутаврового сечения и

вспомогательных ферм (рис. 10). Для крепления фермы к балке использова-

ны клепаные соединения. Разрушение началось с нижнего пояса двутавровой

балки и распространилось на вертикальную стенку. Излом произошел в месте

окончания листа, усиливающего нижний пояс (см. рис. 10). Излом пояса

имел концентрические усталостные линии, характерные для ускоренного

развития усталостной трещины. На кромке пояса, в месте излома, имелась

старая трещина глубиной около 10 мм. В металле (сталь Ст3кп) нижнего поя-

са было повышенное содержание углерода – 0,24 % и меди – 0,43 %. Мини-

мальное значение ударной вязкости при температуре 20 °С составляло

5,7·10

Дж/м

, а при –20 °С – 1,5·10

Дж/м

Рис. 10. Авария мостового крана грузоподъемностью 15 т

Таким образом, основная причина разрушения заключалась в наличии

концентратора напряжений в виде резкого обрыва усиливающего листа и об-

разования усталостной трещины. Ускорению разрушения способствовало по-

вышенное содержание углерода и меди.

Одним из основных факторов, способствующих хрупкому разруше-

нию, является температура эксплуатации крана. С понижением температуры

стойкость конструкции противостоять хрупкому разрушению понижается.

Ударные нагрузки, вследствие их кратковременного действия, затрудняют

развитие пластических деформаций в зоне концентраторов, что способствует

возникновению трещин. Повторно-переменные нагрузки создают возмож-

ность появления скрытых трещин усталостного характера, которые затем

приводят к хрупкому разрушению.