Малодеформируемые элементы и детали машин из железобетона и специальных бетонов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ

О УНИВЕРСИТЕТ

сс;

о

Бранлозский Михаил Иосифович

_На правах рукописи

Малодеформируемые элементы и детали машин из железобетона и специальных бетонов

Специальность 01.02.06 - Динамика,прочность машин,приборов и

аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Браиловский Михаил Иосифович

Малодеформнруемые элементы и детали машин из железобетона и специальных бетонов

Специальность 01.02.06 - Динамика,прочность машин,приборов и

аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Научно-исследовательском,проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (Н И И Ж Б) Государственного научно-производственного федерального центра "СТРОИТЕЛЬСТВО" .

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,профессор Горбунов А.Г.

Доктор технических наук,профессор Филиппов И.Г.

Доктор технических наук,профессор Низамов Х.Н.

Ведущая организация - Акционерная холдинговая компания

" Всероссийский' научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения им.акад. Цепикова А.И."

АХК "ВНИИМЕТМАШ"

Л9 //

• •« •••*<••А • « • J

Защита диссертации состоится .".'.'.-Л. уГ.-í.1997г.в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 053/20.02 при Московском Государственном Открытом Университете по адресу:129805,Москва, ул.Корчагина,22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГОУ.

Автореферат разослан .". ...../.. Ti. 1997года

Ученый секретарь диссертационного Совета

•Дмитриев

~ B.T.Í

Ввяяеяиа

Задачей машиностроения является улучшение качества,точности и скоростных эксплуатационных характеристик машин и оборудования при одновременном снижении их стоимости,трудоемкости изготовления и увеличении единичной мощности.

В повышении технического уровня современных машин и оборудования одним из оправданных путей явилось увеличение доли применения неметаллических материалов для изделий,традиционно изготовляемых из металла.Применение поликристалических композитных материалов открывает новые возможности улучшения и регулирования характеристик конструкций в эксплуатации,по сравнению с монокристаллическими материалами,возможности которых в ряде случаев оказываются исчерпанными.В машиностроении США доля применения таких материалов составляет примерно 15-20%,в Японии к 2000 году составит около 50%,в Германии-до 30%.В России она равна всего около 2% и тенденция ее роста во многом зависит от отсутствия теоретически обоснованной методологии.

Современный уровень развития строительной технологии и конструкций позволяет успешно решать проблему совершенствования машиностроительной продукции за счет использования специальных бетонов и железобетона,как обычного,так и одноосно-, двухосно- или объемно предварительно напряженного.

Опыт применения железобетона и специальных бетонов в машиностроении восходит своими истоками к началу века и обоснован трудами таких выдающихся ученых,как Фрейсине,Гийон,Леонгардт,а в России - Белелюбский,Шухов,Глик,Гвоздев,Мурашев,Васильев, Булгаков, Никитин, Людковский и др.

Ранее при создании конструктивных решений элементов машин из железобетона,рассматривались лишь аспекты снижения расхода металла ,улучшения экономических показателей и разрешения технологических. сложностей,вызванных необходимостью изготовления круп-

ногабаритных и тяжеловесных элементов машин.В процессе эксплуатации оборудования с бетонными а железобетонными элементами выявились их значительные производственные преимущества,определяемые улучшением точностных,прочностных и др.показателей машин.

Для обоснованного использования этих преимуществ возникла задача установления новых подходов к разработке конструкций и оценке их напряженно-деформированного состояния для различных типов и видов машин.Ввиду многообразия и специфики машин,в машиностроении превалирующее значение имеют индивидуальные требования к ним по виду и характеру их использования.Часто новые машины создаются с применением метода аналогий»когда основные параметры установлены условиями эксплуатации предшествующего оборудования аналогичного назначения.Отсутствуют единые 'нормативные подходы,обобщающие конкретные требования и условия для всех типов и видов машин.Создание таких подходов возможно только с введением некоторых новых критериальных предпосылок,позволяющих ограничить многотипность и различие эксплуатационных условий.

Жесткие требования к конструкциям по ограничению их деформаций до микронных значений и обеспечению долговременной стабильности этих деформаций привели к необходимости установления новых подходов,новых критериальных зависимостей для материалов,новых технологических приёмов изготовления конструкций.Особо важно это для объёмно напряженных железобетонных элементов кузнечно-прес-совых машин и силовых высоконапорных цилиндров и резервуаров,где требования по ограничению деформаций совмещены с необходимостью восприятия конструкцией значительных статических, многократно-повторных и ударных нагрузок.

Специфические условия работы машин и оборудования требуют специфических подходов к оценке напряженно-деформированного состояния конструкций.В связи с массивностью и сложной формой используемых в машиностроении систем и конструкций/работающих в

условиях объемного напряженного состояния,использование существующих методов определения деформаций и несущей способности массивных конструкций из железобетона и специальных бетонов требует преодоления серьезных трудностей вычислительного характера. Основная трудность в реализации универсальных численных методов состоит в решении громоздких систем разрешающих алгебраических уравнений.Для преодоления этих трудностей развиваются различные варианты численных методов итерационного типа.

В то же время анализ существующих способов решения трехмерных задач теории упругости показал,что точный метод решения систем разрешающих уравнений и итерационные разностные схемы не обладают достаточной эффективностью для решения широкого класса задач.

С этой точки зрения успешным представляется метод полуитерационного типа сочетающий расчет конструкций на двух сетках.При этом итерационный процесс решения на мелкой сетке сочетается с решением задачи точным методом на крупной сетке.

Такой способ решения трехмерных краевых задач может обеспечить необходимую сходимость итерационного процесса при расчете достаточно широкого класса массивных конструкций.Этот метод развивается в настоящей работе.Рассмотрены вопросы расчета толстых л лит с учетом деформаций сдвига,искривления нормальных сечений и наличия вертикального обжатия,а также толстостенных композитных зиловых цилиндров со сложным характером взаимодействия конструктивных элементов.

На основе многолетних научных исследований проведенных непо-:редственно автором,многочисленных проектных проработок и длительной подконтрольной промышленной эксплуатации опытных машин апределены основные классификационные типы конструкций,которые (елесообразно выполнять из специальных бетонов и железобетона.

Доказано,что из железобетона и специальных бетонов могут быть зготовлены базовые конструкции и детали,а также элементы раз-

личных машин и оборудования,на которые расходуется до 70% металла потребляемого в машиностроении.

Применение железобетона и специальных бетонов дает возможность снизить расход металла до 85%,стоимость до 55-65% и трудоемкость изготовления на 20-25%.При этом существенно улучшаются качественные показатели машин и оборудования.

Железобетонные и полимербетонные основания станочного оборудования обеспечивают повышение точности и чистоты обработки деталей на станке,уменьшение амплитуды относительных колебаний системы деталь-резец,пиков виброскорости колебаний и сужение или полное исключение спектра резонансных частот,особенно в высокочастотном диапазоне.

Применение объёмно напряженных железобетонных элементов и базовых деталей прессовых машин исключает ограничения,связанные с отливкой,сваркой,механообработкой,транспортировкой и сборкой крупногабаритных тяжеловесных деталей.Исследования и конструктивные проработки показали,что из железобетона могут быть созданы станины прессов на усилия в сотни меганьютонов,различные крупногабаритные высоконапорные сосуды и пр.удовлетворяющие требованиям по деформативности и прочности.

Разработка основ проектирования,экспериментально-теоретических методов оценки напряженно-деформированного состояния и технологии изготовления базовых деталей, конструкций и элементов машин и оборудования с ограниченными по величине и стабилизированными во времени деформациями,выполненных из железобетона и специальных бетонов.

_В_задазд_работы_входида:.

- Установление номенклатуры элементов машин и оборудования, для которых применение железобетона и специальных бетонов повышает качество и экономически эффективно.

- Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных элементов разнотипных машин и оборудованния учитывающих специфику условий нагружения конструкций и требования по ограничению их стабильных во времени деформаций при действии статических и динамических нагрузок.

- Разработка основных принципов конструирования и технологии изготовления базовых деталей и элементов машин и оборудования выполняемых из железобетона и специальных бетонов.

- Установление критериальных зависимостей для материалов (железобетона и специальных бетонов) определяющих их соответствие специальным требованиям к изделиям машиностроения (дефор-мативности,прочности,ударной и динамической стойкости,вибропог-лащению,снижению виброскорости,агрессивной стойкости,длительной стабильности параметров,заданным характеристикам чистоты и точности поверхностей и пр.).

_Для_достдзяняя_даяи_я_р£иащш_постепенных_задах_в£гаолоо-

вы_х0мдлексвие_ассггадодаднл^кож.оры9_акпяяавих

1. Анализ условий работы базовых деталей и элементов разнотипных машин и оборудования выполняемых из железобетона и специальных бетонов,сертификация их по основным параметрам и создание видовой классификации.

2. Оценку напряженно-деформированного состояния элементов машин, разработку экспериментально-теоретических основ для определения их деформативности и несущей способности.

3. Установление принципов формообразования изделий для машиностроения из бетонов,разработку новых автоадекватных конструктивных решений элементов машин и оборудования.

4. Подбор бетонов и железобетона со свойствами,отвечающими требованиям к изделиям машиностроения,уточнение критериальных зависимостей определяющих применимость этих материалов при изго-тозг.ении элементов машин и оборудования.

5. Разработку методик испытаний высокоточных и малодеформи-руемых конструкций с использованием современной испытательной технологии и проведение моделирующих лабораторных исследований разнотипных элементов оборудования и машин.

6. Комплекс натурных исследований машин и оборудования с элементами из железобетона и специальных бетонов.

7. Промышленное внедрение деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

„Автор_защищаеи.

Результаты экспериментально-теоретических исследований и, созданные на их основе принципиально новые эффективные конструкции для машиностроения из железобетона и специальных бетонов, в том числе:

1. Предложенные автором и проверенные в экспериментальных исследованиях и при практическом промышленном внедрении конструкции базовых деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов :

-опорные и фундаментные плиты,а также сборные и сборно-монолитные фундаменты агрегатированного оборудования; -основания и станины станочного оборудования; -станины мощных и сверхмощных прессов усилием до 500 МН; -силовые цилиндры прессов и напорные ёмкости и резервуары -конструктивные элементы оборудования(грузы,противовесы, корпуса и пр.)

2. Методы оценки напряженно-деформированного состояния разнотипных бетонных и железобетонных элементов машин и оборудования, определения их деформативности и несущей способности построенные на основе единого критерия эксплуатационной пригодности.

3. Метод расчета сборных и сборно-монолитных облегченных фундаментов агрегатированного оборудования включающих монтажно-

транспортные железобетонные плиты и подстилающие слои типовых полов промышленного здания.

4. Результаты экспериментальных исследований опытных и натурных промышленных образцов элементов машин из железобетона и специальных бетонов.

5. Новые экспериментально установленные критериальные зависимости и параметры материалов (железобетона и специальных бетонов) и технологии производства(соответствующие требованиям к элементам и базовым деталям машин н оборудования в части вибростойкости и вибропоглащения,агрессивной стойкости,а также точности и чистоты поверхности.

6. Нормативные и рекомендательные документы по проектированию элементов машин из железобетона и специальных бетонов.

_Ваузиая_новизна

1. Разработаны принципиально новые подходы к созданию конструкций и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов на основе их жесткостных характеристик и длительной эксплуатационной стабильности.

2. Выявлены новые возможности расширения областей применения железобетона и специальных бетонов для элементов машиностроительного производства классифицированных на основе условий эксплуатации .

3. Развиты представления о новых свойствах железобетона и специальных бетонов применительно к требованиям машиностроения в части: малой по величине и стабильной во времени деформатив-ности,прочности и выносливости,виброползучести,вибрационной, ударной и агрессивной стойкостей и пр..

4. Разработаны на основе единого критерия эксплуатационой пригодности , выражаемого соотношением скорости нарастания деформаций и скорости изменения внешних воздействий,методы оценки прочност-

ных и деформативных характеристик конструкций и элементов машин и оборудования при действии статических и динамических нагрузок.

5. Установлены критерии точности и чистоты поверхности бетонных изделий и технология изготовления бетонных конструкций.

6. Созданы принципиально новые конструктивные решения сталеже-лезобетонных композитных объемно напряженных конструкций станин и гидроцилиндров прессовых машин с увеличенной эффективной жесткостью: основания »станины, стойки и др.детали станочного оборудования с ограниченной по величине и стабильной во времени дефор-мативностью.

7. Разработаны железобетонные опорные конструкции насосов, компрессоров и др.агрегатов выполняющие функции монтажно-транс-портных элементов и являющиеся составной.частью эффективного плитного фундамента.

Научная новизна работы подтверждена 18 авторскими свидетельствами и формализованными действующими патентами,полученными автором индивидуально или совместно с группой сотрудников .

Работа 8 раз рассматривалась на Научных и Технических Советах ГКНТ СССР,Госстроя СССР и Госплана СССР,4 раза на Ученом Совете НИИЖБ Госстроя СССР,18 раз на различных симпозиумах,семинарах и совещаниях,б раз на международных конгрессах и симпозиумах.

По материалам работы лично автором,а также совместно с его сотрудниками опубликовано 136 научных статей и 5 брошюр;под его редакцией по теме настоящей работы выпущено три сборника научных трудов НИИЖБ.

Практическое_значение работы :

1. Железобетонные опорные конструкции используются машиностроительными заводами России и других стран СНГ при монтаже нагнетательного и другого агрегатированного оборудования,обеспечивая значительный технико-экономический эффект.Например,в 1990 году было достигнуто снижение расхода металла в машиностроении

примерно на 300 тысяч тонн.Одновременно применение этих конструкций обеспечило снижение расхода бетона на фундаменты при установке оборудования в эксплуатацию примерно на 320 тыс.м3.

•2. Изготовлены и работают в промышленности 22 кузнечно-прессовые машины различного технологического назначения,усилием от 1,2 до 50 МН со станинами и силовыми гидравлическими цилиндрами в виде сталежелезобетонных объёмно предварительно напряженных композитных конструкций.

3. Разработаны методики исследования сложно-напряженных железобетонных конструкций на специфические виды воздействий с установлением значений деформативности и точностных параметров,ранее не рассматриваемых в строительной практике.

4. Разработаны каталожные выпуски конструктивных решений 350 элементов разнотипных машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

5. Созданы основы промышленного производства железобетонных опорных конструкций машин и оборудования.

6. Разработаны "Рекомендации по проектированию сборных и сборно-монолитных железобетонных опорных конструкций и фундаментов под блоки arperaтированного оборудования",соответствующие Технические условия и стандарты.

7. Разработаны " Рекомендации по проектированию железобетонных предварительно напряженных цилиндрических станин прессов", "Рекомендации по проектированию сталежелезобетонных силовых цилиндров прессов и высоконапрных резервуаров"

Все исследования выполнены автором или под его руководством и при непосредственном.участии коллективом возглавляемой им лаборатории специальных железобетонных конструкций для машиностроения НИИЖБ.Автор глубоко признателен сотрудникам лаборатории за их помощь в проведении работ по проблеме.

Соде раагшо,работы

Работа состоит из введения,трех разделов текста,выводов»списка использованной литературы,приложения с примерами расчета и актами внедрения.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы исследований,сформулирована цель работы,определены ее задачи,изложены основные научные положения,выносимые на защиту.

Определены (глава 1,раздела 1)уровень и связь проведенных исследований с аналогичными работами направленными на решение задачи повышения качества и эффективности машиностроительного производства путем создания новых конструкций выполненных с применением железобетона и специальных бетонов,новых технологических решений и теоретически обоснованных методов оценки их напряженно-деформированного состояния.

Анализ опыта внедрения машиностроительных конструкций и элементов оборудования,изготовленных из железобетона и специальных бетонов,выполненный в главе 2, раздела 1,выявил общие характеристики и особенности конструктивных и технологических требований для различных видов машин и типов конструкций рассмотренные в главе 3 раздела 1.

Установлены оптимальные конструктивные решения опорных и базовых конструкций машин,их форма и принципиальные отличия определяемые их назначением и требованиями эксплуатации(Действующими нагрузками и условиями контакта с приводными и исполнительными органами машин.(главы 4 и 5 раздела 1).

Опорные конструкции нагнетательного оборудования и других машин, где они при эксплуатации исполняют функции транспортных элементов и фундаментов,имеют в большинстве случаев форму плиты или рамы переменного сечения.На рабочих поверхностях этих конструкций предусмотрены специальные детали для фиксации элементов и

узлов приводного и исполнительного оборудования,а также их транспортировки и крепления на месте установки.

Опорные конструкции оборудования выполняются из тяжелого бетона высоких марок с армированием в виде каркасов и сеток игш из фибробетона.Их напряженно-деформированное состояние соответствует моменту,предшествующему образованию трещин в бетоне. Они характеризуются ограниченными требованиями по прочности,жесткости и точности.

К этому типу относятся также такие элементы машин и оборудования как различные упоры,подставки.кронштейны,грузы,противовесы, корпусные узлы и детали,тумбы,к которым предъявляются также некоторые специфические требования,такие как жесткость фиксации оборудования,вибростойкость и стойкость при воздействии агрессивных сред.

Проанализированы возможные конструкции закладных деталей для крепления оборудования.По результатам многочисленных проектно-конструкторских разработок выявлены их оптимальные размеры и способы фиксации в бетоне.

Серийное применение опорных и базовых конструкций машин из бетонов и железобетона обеспечивает :

- Снижение металлоемкости при одновременном улучшении жест-костных, динамических и вибро-аккустическнх характеристик машин и оборудования;уменьшение энерго- и трудозатрат при их изготовлении, а также в эксплуатации.

- Полную заводскую готовность агрегированного оборудования при высокожесткой фиксации на поверхностях опорных и базовых конструкций его рабочих(исполнительных)органов,приводных двигателей, трансмиссионных узлов и систем управления,что упрощает монтаж,увеличивает межремонтные сроки работы агрегата и его эксплуатационную надежность.

п

- Возможность установки машин и оборудования поставляемых от изготовителя на железобетонных опорных и базовых конструкциях на облегченных плитных фундаментах,включающих вместе с опорными конструкциями подстилающие слои типовых полов промышленных зданий (™бесфундаментная установка оборудования").

Базовые детали станочного оборудования,выполняемые в виде массивных балочных элементов(горизонтальные станины),плит переменного сечения,тумб сплошного или коробчатого сечения и стоек переменного коробчатого сечения,имеют привалочные поверхности для установки оборудования и направляющие предназначенные для организованного контакта перемещаемых исполнительных механизмов. В работе определены оптимальные конструктивные соотношения геометрических размеров конструкций,толстостенность сечений,армирование и способы формообразования.

Базовые конструкции станочного оборудования выполняются из железобетона,модифицированных бетонов,полимерных бетонов и,также как опорные конструкции,имеют при эксплуатации уровень напряжений, соответствующий упругой стадии работы материала.

К ним предъявляются жесткие требования по точности,ограничению деформаций и их стабилизации во времени.Одновременно эти детали должны удовлетворительно сочетаться с исполнительными и приводными деталями и узлами оборудования.

Серийное применение базовых конструкций станочного оборудования из железобетона и специальных бетонов обеспечивает техническое совершенствование машин и их эффективность за счет:

- высокой демпфирующей способности и стабильности геометрических размеров;

- низкой теплопроводности,высокого термического сопротивления и термической инерционности;

- упрощения технологии изготовления и снижения энерго- и трудозатрат при изготовлении и в эксплуатации;

н

Конструкции машин,к которым относятся силовые рамы,(станины прессов и т.п.)»цилиндры и емкости высокого давления,а также другие элементы,узлы и детали с преимущественными требованиями по прочности,выполняются из одноосно-,двухосно- и объемнонапря-женных железобетонных или трубобетонных элементов со значительным насыщением металлом в сечении(до 19%),а также комбинированных сталежелезобетонных конструкций.

Из опыта разработки и практического применения прессовых машин с железобетонными базовыми элементами установлено,что эффективными могут оказаться такие виды станин прессовых машин как:

- Цилиндрические станины колонного и тоннельного типов с архитравами кругового и эллиптического очертания в плане ;

- Станины колонного и тоннельного типов с контурным армированием с архитравами в виде полудисков круговой или параболической формы в поперечном сечении;

- Замкнутые рамы колонного или тоннельного типов из прямоугольных массивных сталежелезобетонных элементов имеющих внешнюю обойму из толстолистовых металлоконструкций.

Оптимальное армирование массивных архитравов станин прессов включает торцовые металлические листы жестко связанные между собой металлоконструкциями или часто установленными арматурными стержнями и внешнее напрягаемое армирование в виде сплошной многослойной навивки по поверхности элемента высокопрочной проволоки,канатов или прядей с заданным напряжением.Такой каркас позволяет получить в бетоне эффект трехосного обжатия,что существенно увеличивает несущую способность и жесткость архитрава.

Рассмотрены конструктивные особенности силовых гидравлических цилиндров прессовых машин и резервуаров высокого давления выполненных в виде композитных металложелезобетонных объемно предварительно напряженных конструкций.

Силовые гидравлические цилиндры прессовых машин -весьма ответственные узлы машины,которые должны обеспечить работоспособность прессового оборудования в соответствии с предъявляемыми требованиями по силовозбужденню,точностным параметрам,долговечности и ремонтнопригодности.Все эти требования могут быть удовлетворены при условии малой деформативности конструкции,так как в этом' случае исключается возможность разгерметизации системы,обеспечивается сохранение точности рабочих поверхностей и эксплуатационная пригодность узла.

Силовые цилиндры гидравлических прессовых машин могут выполняться в виде сталежелезобетонных конструкций,включающих вставной тонкостенный металлический цилиндр и железобетонную предварительно напряженную обойму воспринимающую основную часть нагрузки и обеспечивающую требуемые жесткостные параметры конструкции.

Станины и другие элементы кузнечно-прессовых машин из предварительно-напряженного железобетона обеспечивают:

увеличение эффективной жесткости и снижение технологической энергоемкости машины в эксплуатации; снижение металлоемкости,исключение сложных отливок и поковок, сокращение объемов и сложности механообработки; возможности повышения единичной мощности оборудования; В главе 6 раздела 1 проанализированы технологичесхие особенности изготовления базовых деталей и элементов машин из железобетона и специальных бетонов.Установлено,что определяющими факторами являются :

- Оптимизация подбора состава бетонной смеси;

- Высокое качество металлических форм и их палубы по точности , чистоте поверхности и жесткости-общей и местной.

- Специальные закладные детали и пустотообразователи,обеспечивающие точность и жесткость фиксации оборудования и контактирующих с бетонными деталями узлов.

- Обеспечение условий и мероприятий для получения однородной структуры и плотности бетона.

Приведены оптимальные составы бетонных смесей и режимы формования изделий.Рассмотрены различные виды оснастки,выполненной в металле,стеклопластике,железобетоне,дереве;даны рекомендации по эффективным условиям их использования.

Проанализированны монтажно-технологические особенности изготовления элементов и конструкций прессовых машин из предварительно напряженного железобетона:станин,силовых цилиндров,под-штамповых блоков и т.д..

Там же(глава б раздела 1)при рассмотрении критериальных особенностей и требований к материалам для изготовления деталей машин и оборудования установлено,что современные тяжелые(цементные или мелкозернистые)высокопрочные бетоны,фибробетоны,жаростойкие бетоны,бетонополимеры,полимербетоны,химически стойкие бетоны,по своим параметрическим характеристикам и техническим свойствам пригодны для изготовления опорных и базовых конструкций,а также многих деталей и элементов машин:плит,оснований,тумб,стоек,станин, кронштейнов, распределительных плит и др.

Специфика бетонов должна индивидуально учитываться при проектировании и разработке технологии изготовления конструкций для машиностроения.

Особенности требований к конструкциям в части стабильности их деформаций сделали необходимым проведение специальных исследований усадки бетонов,которые выявили,что факторы,влияющие на величину усадки,можно представить в виде трех групп:

связанные со свойствами и расходом материалов; зависящие от условий приготовления и твердения бетона до начала эксплуатации изделий;

вызванные условиями эксплуатации изделий.

Экспериментально определены зависимости характеризующие деформации материала от действия усадки в любой момент на протяжении первых 730 суток жизни бетона в конструкции.Предложено предельные деформации усадки умножать на систему независимых поправочных коэффициентов:

Еуц = Суд «Кх • К2 • Кз. • ■ Кп ;

каждый из которых является функцией соответствующих учитываемых факторов и определяется экспериментальным путем по отклонению Еуп от нормативного значения гуп »которое может быть установлено по формуле :

еун = К1 В V В3 где: ^ =0,125 . 10 (м \кг) В - расход воды в л\м - 1 В работе приведены зависимости и экспериментально полученные значения коэффициентов К.

В главе 6 раздела 1 рассмотрены и обобщены результаты исследований прочности и деформаций бетонов при действии многократно повторяющихся,динамических и импульсных нагрузок.Экспериментально выявлены пределы выносливости материала,устанавливаемые в виде коэффициентов условий работы при соответствующих коэффициентах асимметрии циклов нагружений,влияние частоты нагружений и количества циклов,а также насыщения бетона водой или маслом.

Для определения деформаций виброползучести предлагается использовать выражение :

Еба = С(*,Ь). Лвп • СТтах ; где: С(т,-Ь) - мера ползучести,определяемая при длительном статическом нагружении;

Квп - постоянный коэффициент,принимаемый равным 1,5 Значения начального динамического модуля упругости бетона Ебо при сжатии и растяжении можно определять умножением соответствующих значений Еб из СНиП на коэффициент 1,15.

Учет влияния частоты нагруження на предел выносливости может производиться с использованием зависимости: Гб = Кш(ш;гв1) .ув^р) • где: К(о(ш,ув1) - коэффициент изменения увх при изменении частоты ш в Гц.

Ко = -0,00076м + 0,039(0 + 0,744 Предложены экспериментальные зависимости и табличные характеристики уценивающие значения коэффициентов динамического упрочнения арматурных сталей и бетонов,которые могут быть использованы при поверочных расчетах конструкций.

Анализ температурной и химической стойкости бетона определил, что при создании станков с бетонными станинами и основаниями необходимо принять меры для предотвращения локального тепловыделения в приводных,исполнительных и силовых узлах станка,так как оно может вызывать локальный нагрев конструкций и заметные местные деформации.Следует иметь в виду низкий коэффициент теплопередачи бетона в конструкциях,что при динамическом характере изменения температуры может приводить к большим деформациям на поверхностях контакта в соединениях разнородных материалов,даже если коэффициенты линейного расширения соединяемых материалов при статическом воздействии температуры одинаковы.

Результаты исследований позволили установить,что даже при наибольшей интенсивности облива смазочными маслами в течение 6-8 лет снижение прочности на сжатие и характеристик сцепления бетона с арматурой для особо плотного бетона может составить около 30% от первоначальной величины.

Существенным параметром элементов оборудования является качество изделий по критериям чистоты и точности поверхностей: лицевых, установочных и привалочных.Параметры используемые для оценки качества строительных конструкций по ГОСТ 13015.0-81 и ОСТ 26-06-785-73 не удовлетворяют требованиям по качеству повер-

хностей машиностроительных изделий.Исследования опытных и моделирующих образцов позволили разработать в табличной форме новые критериальные зависимости,определяющие комплекс требований к качеству поверхностей машиностроительных изделий из железобетона и специальных бетонов.

Условия,чтобы при эксплуатации конструкции проявлялись только ее упругие деформации,потребовали проведения специальных исследований по определению пределов упругой работы материала и конструкций,а также установлению факторов влияющих на величину нагрузки соответствующей этому пределу.

Методика проведения экспериментальных исследований конструкций для разнотипных машин и оборудования(описанных в главах раздела 2)разрабатывалась для каждого из испытаний с учетом требований к конструкции,причем во всех случаях испытания выполнялись на лабораторных и опытных образцах с целью определения характерных параметров напряженно-деформированного состояния и влияния на него различных факторов.Результаты этих испытаний контролировались результатами исследования натурных конструкций.

В процессе испытаний использовалась имеющаяся база приборной измерительной техники и силового оборудованияпривлекались испытания на моделях из подобного материала или оптически активных моделях с учетом принципов масштабного и силового подобия.Для исследования натурных конструкций были применены методы дистанционного измерения деформаций высокоточными оптическими приборами (оптиметрами,компараторами и пр.).При испытаниях образцов и элементов учитывались характеристики используемого бетона,его состава»заполнителей,однородности смеси и фактические физико-механические показатели.

Промышленные и лабораторные испытания (глава 1 раздела 2) аг-регатированного оборудования смонтированного на железобетонных

опорных конструкциях(плитных,рамных,коробчатого сечения(установили, что при нагрузках соответствующих значениям коэффициента запаса прочности от 4 до 10 опорные конструкции работают при эксплуатации оборудования в условиях условно-упругого напряженно-деформированного состояния и деформации их имеют значения около 0,3мм\м.

Установлено также,что увеличенные общая и местная жесткости конструкции влияют на повышение коэффициента производительности оборудования и удлинение межремонтных сроков эксплуатации исполнительных и приводных (силовых)узлов.

Определение возможности и технической эффективности установки оборудования агрегированного на железобетонных опорных конструк-цияхт с использованием облегченных плитных фундаментов осуществлялось при исследовании опытного образца фундаментной плиты на специально подобранном основании.(глава 2 раздела 2).При этом моделировались условия работы фундаментов постоянной и переменной жесткости при воздействии статического и динамического на-гружений.Эти испытания подтвердили,что при широком диапазоне действующих динамических нагрузок и их частот плитные фундаменты постоянной и переменной жесткостей имеют амплитуды колебаний соответствующие нормативным для массивных фундаментов.

Результаты определения амплитуд колебаний возникающих при работе нагнетательного агрегата (глава 3 раздела 2¡позволили установить характер их изменения не только в зависимости от изменения частоты действующей нагрузки и ее характеристик,но и за счет условий установки оборудования,расстояний от соседнего оборудования и конструкций, а также других параметров.Это позволило предложить вместо массивных монолитных фундаментов глубокого заложения использовать эффективные плитные фундаменты переменной жесткости образованные из железобетонных опорных конструкций и подстипапщего споя типового попа промышленного здания.

Прочностные испытания станин и оснований станочного оборудования (глава 4 раздела 2)определили,что при эксплуатационном за-гружении конструкций и воздействии местных нагрузок запасы прочности соответствуют шести-двенадцатикратным.

В этом случае напряженно-деформированное состояние конструкции соответствует условиям упругого деформирования элементов обеспечивая стабильность их деформаций во времени.

Проверка конструкций на импульсное воздействие нагрузки позволила оценить демпфирующие свойства бетонных элементов,которые характеризуются весьма заметным уменьшением частот собственных колебаний и увеличением значения декремента затухания колебаний.

Эти данные хорошо согласуются с результатами промышленных испытаний натурного станка,которые выявили значительное уменьшение амплитуды и виброскорости колебаний,а также сужение спектра резонансных частот.Амплитуды колебаний и виброскорость для станка на железобетонной плите в 1,4-9 раз меньше,чем у станка с чугунным основанием.При установке станка на железобетонной плите наблюдается уменьшение частот собственных колебений в 1,5-2,3 раза и при высоких частотах полностью исключаются резонансные амплитуды , выявленные при испытании станка с чугунным основанием.

При анализе конструктивных решений и особенностей напряженно-деформированного состояния деталей и элементов прессового оборудования ( глава 5 раздела 2)установлено,что для обеспечения ограниченных и стабилизированных во времени деформаций они должны выполняться в виде двухосно или объёмно-напряженных сталежелезо-бетонных композитных конструкций.

Разнообразие конструкций и условий их нагружения(Рис.1) приводит к необходимости индивидуального подхода к отдельным элементам и разработке самостоятельных программ и методик для их исследования.

, л \ Д4 Лз

и т г 1

N

Д-,

/

N

ШШШ1

1 \

Е

По результатам испытаний различных станин выявлен характер их деформирования и установлены характеристики их эффективной жесткости,причем сопоставление этих значений с соответствующими характеристиками аналогичных конструкций в металлическом исполнении показывает,что как правило жесткость железобетонных станин оказывается выше почти на порядок.

В процессе экспериментальных исследований железобетонных предварительно-напряженных станин прессов определен характер распределения усилий между составляющими элементами станины, работоспособность узлов сопряжения элементов,изменение деформаций (общих и местных )в зависимости от изменения величины на грузки.Установлено,что эффективная жесткость станины определяемая величиной усилия вызывающей единичную деформацию конструк-

Рис .1

ции зависит в основном от деформаций колонн.Деформации колонн зависят от жесткости приведенного сечения конструкции, условий передачи нагрузки предварительного напряжения станины и рабочего усилия прессования.(Средние напряжения в трубобетонных колоннах станины составляют около 75-85МПа).

Продольные деформации станины компенсируются рабочим ходом плунжера пресса.Однако от них зависит технологическое обеспечение заданной толщины изготовляемых на прессе изделий.

Многократные нагружения станин выявили отсутствие остаточных деформаций конструкции при действующих напряжениях,что подтверждает упругий характер деформирования конструкции. Экспериментально установленные условные модули мгновенно-упругих деформа-

ции конструкции соответствуют расчетному модулю упругости сечения определенному с учетом коэффициента приведения.

В трубобетонных колоннах пресса наиболее важную роль играют общие деформации элемента,а для архитравов,подштамповых блоков и элементов силового гидравлического цилиндра - локальные деформации определяющие эксплуатационную пригодность,работоспособность и надежность элемента при эксплуатации прессовой машины.

Сложно-напряженные железобетонные архитравы станины исследовались с целью установления деформаций,параметров несущей способности, трещиностойкости и пределов упругой работы элемента,а также выявления влияния таких факторов как форма архитрава,условия нагружения,влияние косвенного армирования при статическом и динамическом нагружениях конструкции. • •

Выявлено,что двухосное предварительное напряжение повышает предел выносливости конструкции примерно в 1,5-2 раза,по сравнению с аналогичной ненапряженной.Отмечено,что при соотношениях Ртах\Рразр= 0,7 и ниже,усталостныё явления в бетоне элемента практически не проявляются.

Установлено, что

раэруяаниа

деформации элемента, проявившиеся при статическом нагру-жении подобной нагрузкой ,стабилизируются во времени при продолжающемся действии повторяющейся

нагрузки. £_.10'

Рис.2

Изгибные деформации архитрава станины при максимальных расчетных нагрузках составляли около 0,Змм\м.пог.При этом работа конструкции соответствует стадиям приведенным на рис 2.

• В результате испытаний определен характер работы элементов при воздействии многократно-повторяющихся нагрузок и определенных видах нагрухения,установлены пределы выносливости и характер изменения деформаций.

Методика исследования силовых гидравлических цилиндров (Рис.3)

предполагала изучение зависимости работы конструкции от таких факторов,как: -толщина стенки цилиндра; -толщина вставного стального

цилиндра; -величина радиального обжатия железобетонной стенки и её осевого обжатия вертикальной арматурой. -изгибные деформации стенки вдоль

образующей; -приложение сосредоточенной нагрузки на части высоты стенки. Проведенные исследования показали, что внутренняя металлическая обичай-ка(вставной цилиндр)обеспечивает герметичность конструкции, точность размеров и,частично (до40%)(Воспринимает рабочее давление.

Железобетонная стенка,предварительно напрягаемая при помощи сплошной проволочной навивки, стабильно обеспечивает заданные 6 прочностные и деформативные свойства конструкции,восприни- 7 мает основную долю внутреннего давления в цилиндре и полную величину предварительного напряжения.

Рис.3.Сталежелезобетонный объемно напряженный силовой гидроцилиндр.

1.Железобетонное днище;

2.напрягаемая навивка;

3.вставной металлический цилиндр;

4.железобетонная стенка;

5.нажимной фланец уплотнений;

вертикальная напрягаемая арматура;

7.уплотнения и направляющие;

8.стык стенки и днища;

Исключается возможность проявления высоких контактных напряжений и их концентрации в зоне примыкания стенки к днищу, за счет создания здесь конструктивно организованного шва.

> Монтажный зазор между стенкой вставного металлического цилиндра и железобетонной стенкой,имеющий малые заданные размеры и заполненный цементно- или полимерпесчанным раствором практически не влияет на деформативность и работоспособность композитной конструкции силового цилиндра пресса.

Исследование железобетонных силовых гидроцилиндров прессовых машин (глава 6 раздел 2)производились как на натурных конструкциях, гак и на моделирующих опытных образцах.При этом исследовалась сталежелезобетонная композитная конструкция стенки цилиндра представляющая осесимметрично нагруженный 'кольцевой элемент.

Характер работоспособности днища и плунжера определялись на основании результатов исследования аналогичных трубобетонных элементов колонн и архитравов станин прессов.

При работе в составе композитного сталебетонного силового цилиндра уменьшаются значения концентраций и перепадов напряжений в стальном вставном цилиндре,что обеспечивает увеличенную долговечность конструкции.

В комбинированном сталебетонном силовом цилиндре с железобетонной стенкой имеющей толщину равную внутреннему радиусу деформации имеют упругий характер при внутреннем давлении превышающем значение напряжений соответствующих кубиковой прочности бетона в 1,2-1,4 раза,а разрушение происходит при давлении соответствующем по величине 2,35-2,66 RKy6..3TO определяет возможность использовать для изготовления силовых гидравлических цилиндров прессов работающих при давлении рабочей жидкости до бОмпа обычные строительные бетоны классов В40 и В50.

Задачей экспериментальных исследований элементов подштампо-вых блоков являлось установление величины коэффициента приведе-

ния дополнительной арматуры,оценка изменения модуля мгновенно-упру-гих деформаций конструкции,определение условного предела упругой работы,а также предела несущей способности и характера разрушения конструкции.Эти иследования выполнялись одновременно с созданием натурного подштампового блока для мощного испытательного пресса усилием 5ООМН,работающего в Институте Физики Высоких Давлений АН.

Исследования производились при испытании трубобетонных элементов диаметром 426мм на прессе 500МН,так как их несущая способность достигала 80-100 МН.Установлено,что трубобетонные образцы без двухосного предварительного напряжения работают упруго до проявления в них радиальных деформаций,равных по абсолютной величине 0,25-0,Змм(относительная деформация-1,41.10, что практически на порядок превышает предельную растяжимость бетона).

Упругая работа элемента зависит от состояния бетона и прекращается после начала образования в бетоне микротрещин,развитие которых приводит к потере устойчивости стержней дополнительной арматуры,перераспределению напряжений в сечении и развитию упруго-пластической стадии работы конструкции с существенным ростом величины остаточных деформаций,что предшествует разрушению конструкции.

Нагрузка соответствующая условному пределу упругой работы элемента составляет 0,53-0,56РРаЭр.для образцов без двухосного преднапряжения и 0,65-0,67Рразр.для образцов с напряженной обоймой. Деформативность образцов с преднапряжением при пределе упругой работы составила около 0,ЗЕпрвд/» а для ненапряженных - примерно 0,2 5епрвд. Очевидно на изменение относительных деформаций образцов влияет также наличие дополнительной жесткости в виде напряженной арматурной навивкн.

Наряду с испытаниями опытных образцов прессовых машин и их элементов производились исследования натурных промышленных прессовых машин в процессе их эксплуатации.

• Эти исследования убедительно подтвердили результаты полученные на опытных образцах.Дополнительно при этом выявлены такие характеристики прессовых машин как стабильность деформативных показателей машииы,её ремонтопригодность и продолжительность межремонтных сроков.По результатам двадцатилетней эксплуатации пресса усилием 40МН установлено,что заданная при изготовлении пресса точность штамповки изделий определяемая при максимальном усилии величиной деформации штампов 2мм\м сохранилась практически неизменной на весь период эксплуатации пресса.

Экспериментальные исследования определили направления и пути аналитических подходов к машиностроительным конструкциям из железобетона и специальных бетонов.

Характер эксплуатационной пригодности конструкции определяется отношением скоростей изменения прироста деформаций и прироста нагрузок.При этом величина эксплуатационной нагрузки должна быть ниже предела упругой работы материала конструкции.

Принимаем,что предельным состоянием конструкции для машиностроительного оборудования является момент,когда скорости изменения деформации и скорости нарастания нагрузки равны.На основе анализа опытных данных нами определено,что для большинства случаев этот момент соответствует активному развитию в бетонных сечениях микротрещин после чего начинается значительное развитие пластических деформаций.Эксплуатационная стадия работы конструкции определяется пределом упругой работы материала конструкции и характеризуется состоянием,когда скорость нарастания нагрузки более чем в три раза превышает схорость изменения деформации,что соответствует стандартно принимаемым коэфициентам запаса для машиностроительного оборудования.

В главах раздела 3 выполнена оценка особенностей подхода к расчету железобетонных и бетонных базовых и опорных конструкций и элементов машин и оборудования.Установлено,что статический расчет бетонных элементов машин может производиться методами строительной механики стержневых систем,а для массивных элементов с применением методов теории упругости.

Жесткость является главным критерием работоспособности бетонных базовых деталей и элементов оборудования (особенно станочного) начальные размеры которых должны быть неизменяемы во времени.

Оценка жесткости и ее расчет могут производиться по условной и геометрической жесткости конструкции,а также по допустимым деформациям.

Условная жесткость конструкции характеризуется перемещением точки приложения нагрузки в металлическом прототипе при воздействии условной сосредоточенной силы,причем показатель жесткости можно определить из зависимости: j =Р\г кН\мм

На геометрическую жесткость или жесткость при изгибе оказывают влияние:

- Форма поперечного сечения детали;

Значение модуля мгновенно-упругих деформаций конструкции Е;

- момент инерции приведенного сечения кривизна оси элемента 1\р

Геометрическая жесткость сечения элемента характеризуется величиной:

В = Е.Лпр = Мр где: р - радиус кривизны;

Показатель жесткости сечения элемента при кручении можно выразить зависимостью:

К, = Мкр\ф

где: ф - угол закручивания отнесенный к единичной длине элемента.

Должны учитываться деформации двух видов: собственные деформации основного материала и местные или контактные деформации.

Контактная или местная жесткость определяется решением специальных задач например расчетом жесткости анкеровки закладных деталей и конструкций.

Детали машин не должны иметь остаточных деформаций,приводящих к. изменению их точностных характристик,и работать за пределами упругости.Поэтому расчеты элементов допускается производить по формулам сопротивления материалов с учетом характерных свойств бетона и железобетона,а не по методу предельных состояний,как это принято для строительных конструкций.Прочность изделия характеризуется предельными напряжениями материала,которые корректируются коэффициентом запаса прочности материала( Кэп ):

Кзд = Киз • Кдт " Квр . Кц

где: Кяз - коэффициент изменчивости механических свойств материала;

КоТ - коэффициент ответственности детали;

Ктр - коэффициент точности расчета;

К„ - коэффициент перегрузки;

В расчетах на выносливость при действии переменных нагрузок и на удар можно использовать гипотезу плоских сечений и значения нормативных нагрузок,а также формулы теории упругости,в которые вводится пониженная с учетом изменения напряженно-деформированного состояния в деталях и нарастания остаточных деформаций в бетоне величина модуля мгновенноупругих деформаций ( Е ),зависящая от прочности бетона.

Рассмотрены также различные методы расчета конструкций на воздействие местных нагрузок и возможность обеспечения наилучших условий заделки арматуры в бетоне.

В работе рассмотрены методики расчета крепления оборудования к опорной и базовой конструкциям,расчет рамных и плитных фундаментов оборудования и в том числе эффективных плитных фундаментов образуемых из опорной железобетонной конструкции и типового подстилающего слоя пола промышленного здания.

Исходя из анализа существующих методов расчета фундаментов и учитывая сложность перехода от задачи о колебаниях плит постоянной жесткости к аналогичной задаче для плиты,в которой эта жесткость имеет переменный характер,» качестве модели основания при расчете плитных фундаментов была принята модель с введением коэффициента постели Винклера.Одновременно учитывая конструктивные особенности опорных конструкций были приняты допущения,что при воздействии протяженной в одном направлении нагрузки,при которой изгиб плиты близок к изгибу по типу цилиндрической поверхности , имеется возможность рассматривать плиту как состоящую из балок единичной ширины и бесконечной длины,а демпфирующие свойства плиты и основания не учитываются.

Тогда уравнение вынужденных колебаний балки неограниченной длины переменной жесткости и массы при действии силы Р = £(Х,Ь), будет иметь вид :

----ЕЯ(ЗС)---------+ К И(х_с) + р(х)---------=

<3х <3х <ЗЬ

где: - перемещение балки;

Е^х) и р(х) - переменная жесткость и плотность балки;

К - коэффициент постели основания; После ряда алгебраических и интегральных преобразований и дифференцирования для случая далекого от резонанса при действии симметричных относительно оси У нагрузок,распределенных жесткости и массе,получаем решение в виде системы линейных алгебраических уравнений,решая которуп можно определить амплитуду копеба-

нив плиты переменной жесткости и радиус кривизны её изогнутой оси.

Сравнение расчетных и экспериментальных величин амплитуд колебаний фундамента переменной и постоянной жесткостей определило их удовлетворительную сходимость.При переходе от постоянной к переменной жесткости фундаментной плиты амплитуды колебаний фундамента в точке приложения нагрузки уменьшаются в 1,55-1,65 раза. С увеличением высоты фундамента амплитуда его колебаний уменьшается примерно на 5-7%.

При оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных и бетонных машиностроительных конструкций и элементов рассмотрены особенности расчётных методик и теоретических подходов для различных характерных видов оборудования: бетонных базовых деталей станков(оснований,станин,стоек,тумб и пр.),элементов прессовых машин (станин,архитравов и ригелей,колонн,подштамповых блоков,распределительных плит и пр),силовых гидравлических цилиндров прессов и резервуаров высокого давления.

Предварительно напряженную железобетонную станину пресса можно рассматривать как замкнутую раму с податливыми узлами,у которой верхний и нижний архитравы(ригели)являются высокими балками с переменными жесткостями по длине,а колонны - гибкими стержнями с постоянной жесткостью,защемленные по концам.

Рассмотрен метод расчета деформаций внецеитренно сжатой колонны с учетом нелинейности задачи во времени.Задача решается методом последовательных приближений по величинам краевых деформаций ел(Ъ) и еп(^:),через фиктивные напряжения для каждого момента времени,причем после приведения параметров сечения деформации могут быть выражены в виде:

М*) =офл^)/Еь ; Еп(1) = СфП(г)/Еь

Принимая на каждом шаге итерации величину деформации равной полусумме приведенных выше значений при достижении сходимости получаем точное решение.

При оценке напряженно-деформированного состояния композитных конструкций архитравов станины использование нелинейных теорий деформирования в методе конечного элемента черезвычайно усложняет расчет.Поэтому,чтобы не жертвовать возможностями в части учета свойств материала,желательно применить наиболее простое математическое описание самой конструкции толстой плиты.В то же время это описание не должно быть чрезмерно феноменологическим и его модификации необходимо контролировать натурными или численными экспериментами.

Для определения возможных подходов к оценке напряженно-деформированного состояния архитравов станин прессов в работе рассмотрены методы расчета толстых плит и высоких балок на воздействие локально приложенных нагрузок.

Наиболее перспективной при заданных условиях будет математическая модель построенная на базе вариационного метода с использованием общего энергетического подхода С.П.Тимошенко,для которой применительно к толстым плитам эллиптической формы при равномерно распределенной нагрузке в пределах круглого штампа общая функция энергии в соответствии со схемой действующих усилий на рис.4 может быть записана в виде:

2« h/2 а(9>

Э - / / |(CTzEz ♦ СГоЕе + Тг»уг» + rrzyrz + T.zyoz)Г d9 dr dz -• 0 -h/2 О

2« a(0)

- г! Jq Uz .r. d9. dr ;

- о о

При этом можно принять,что :

Ur = C(r)z; Ur= ±C(r)h/2 ;

Ue = 0; } для внутреннего Ue = 0 ; } для тонких

Uz = f(r); слоя Uz= f(r); внешних слоев

Er = C'z ; Ea = C'z/r ; Ez = 0 ; у re - y»r- 0 ; yrz = C'+ i';

где: C(r>- модуль сжатия вдоль радиуса;

(Зг

Рис. 4. Схема усилий на элементарном объёме архитрава пресса.

Е

С'= ----------;- единичная деформация вдоль радиуса;

3(1 - 2 V) Е - модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; ¿(г)- прогиб вдоль радиуса; £'- угол поворота вдоль радиуса. Для оценки работоспособности архитрава весьма существенной

является деформативность конструкции,определяемая прогибом контактной поверхности,на которую непосредственно передается рабо-

чее давление от подштампового блока пресса.

Рассматривая архитрав пресса как балку,имеющую соотношение высоты сечения к пролету Ь/Ь= 0,4 и более,прогиб балки оценивается как сумма двух составляющих:

■ Дх - обусловлена деформациями изгиба и сдвига,может определяться по технической теории балок и представляет собой прогиб в уровне средней линии балки относительно точек этой линии,расположенных в опорных сечениях.

Д2 - учитывает деформации обжатия в направлении действия нагрузки и может определяться из обобщенного закона Гука в предположении, что напряжения обжатия( Оь )и нормальные напряжения при изгибе( Сть ) изменяются по высоте линейно.Принимая расчетную схему балки в соответствии с(Рис.5)»величину прогиба

_а_

41

1да

42

пп

Т№

41

В1 а1

ПП

Чх/2

Рис.5. Расчетные схемы балки и эпюры сть в сечениях.

архитрава пресса по нагружаемой поверхности можно определять как сумму составляющих прогибов,обусловленных соответственно деформациями изгиба (Дм),сдвига(Да) и обжатия (Д;)) в направлении действия усилия пресса, и выразить зависимостью: Д' = Дх + Д2 = Дм + Д'м + Д0 + Д2 ;

где:Дм ;Д'м ,Д<з - составляющие прогиба деформации изгиба и сдвига от действия момента и перерезывающей силы;

Я1Ь4 ЧгЬ4

Ам ------(8^ - 4^3 + )-----(3-2 );

384EJ 48Еа

ь ь3

где:^1 = а/Ъ ; = с/Ь ; =-----;

12

V

Д'м =-----(41.аь - 242-е2 )

4ЕЬЬ а Р

Д0 = ---- {Ь -а/2 - с) ;

4СЬЬ

где: - Коэффициент а = 1,2

- Перерезывающая сила Р = Чх.а = 2д2.с Деформация Д2 может быть выражена зависимостью: • Оь СТь -Д2 = Дн + Д'„ = дв|---dh + Л--------с^ ;

Е -Е'

Проинтегрировав это выражение получаем:

0,375(4! + Ч2)Ь 1,5У.Ма, Д2 =------------------------ ;

Е.Ь Е.Ь.Ь

где: МсП = Р/4(Ь -с -а/2);

Это приближенное решение в численном эксперименте сопоставлено с точным значением прогиба Д в точке Э,полученным методом конечных элементов при разбивке области квадратной сеткой с шагом Ь/40 при Ь/Ь < 0,5 и Ь/20 при Ь/Ь >0,5 .

Погрешность значений прогибов для соотношений а,с,Ь и в,характерных для архитравов станин прессов:

Ь/Ь = 0,4 - 0,8; с/Ь = 0,15 - 0,25; а/(Ь-2с) = 0,8 - 0,9 ;при приближенном расчете относительно точных составляет от 1% до 4%.

Подобное сопоставление для круглого в плане архитрава цилиндрической станины пресса дало погрешность 3%-5%.

Составляющую изгиба толстой плиты,обусловленную деформациями сдвига, определяем без учета торцевых металлических плит, т.е..как для бетонного массива.

На основе проведенных исследований и обобщения опытных данных, расчет прочности трубобетонных колонн предлагается производить с учетом гибкости по формуле:

Р =ReAb + RaAa + KRogAog rfle:Re,R3/R06-pac4eTHoe сопротивление бетона,арматуры и обоймы. ñb»Ag,Аоб-площадь сечеиия бетона,арматуры и обоймы.

, 1

К = 1 +---------------------

0,25 + 4 (Ro6 Fo6\Rb АЬ) Решение для прогиба архитрава от обжатия напрягаемой арматурой, навитой по его боковой поверхности,можно записать в виде : 0,375(q!+q2)h l,5vnp qj.d0 dQ

д„ =------------------------ (L----С )

EnpB 4 EnpBh 2

где Епр= Еб(1 - d0/L)+^ECT ; ц =FCT/Bh ;

FCT - площадь сечения торцевых металлических листов. По существу прочность и трещиностойкость архитрава при изгибе может быть выявлена по значениям напряжений у его верхней и нижней граней с проверкой сечения на срез при поперечном обжатии по внутреннему обрезу колонн и на поперечную силу при изгибе. Усилие среза,воспринимаемое бетоном архитрава можно выразить: 0,15R„ + а при 0,lRKy6 < а < 0,35Rcy6

RH = {

0,5 R„ при 0,35R,cy6< а < 0,7R,y6

Для повышения точности при оценке прочности архитрава на воздействие поперечной силы использованы эмпирические зависимости полученные автором по результатам исследования более 400 моделирующих образцов выявляющих влияния различных факторов на работоспособность конструкции.

Для обобщения и анализа результатов исследования в качестве характеристического параметра было выбрано значение среднего удельного давления под штампом.

■ Установлено,что среднее удельное давление (ауд) зависит от геометрических размеров подштамповой плиты (d0)»размеров архитрава (h,L),прочности бетона (Ицуб) и величины действующего предварительного напряжения (q ),и может быть описано эмпирической зависимостью:

d0 3 h/L - 1,32

Суд =2650(9,5---) (1 + 1,3---------- ) + 100

L 1,5 - d0/L

где : L = Lx +2dk/3

dk - диаметр колонны станины;

L - наибольшее расстояние между участками приложения реактивного давления; Li - пролет архитрава в свету; Тогда разрушающая нагрузка кругового в плане массивного архитрава может быть выражена зависимостью: Суд =9q - 2, 55Rnp Кроме этой обобщенной зависимости автором была предложена дифференцированная экспериментальная зависимость для определения несущей способности архитрава основанная на рассмотрении предельного состояния конструкции и анализа её разрушения с образованием "силового купола" разрушающегося за счет преодоления сопротивления бетонного сечения отрыву.При таком подходе разрушающая нагрузка для архитрава имеющего круговое очертание в плане определяется из зависимости:

Рразр = Рср + NSina +Р*он где: Рср = PQ +coKiNCosa - усилие, вызывающее срез бетона по цилиндрической поверхности;

Рп - усилие, вызывающее срез по цилиндрической поверх-

ности при отсутствии нормальной сжимающей силы. N - равнодействующая нормального усилия в сечении условного силового купола:

н 1-v

N = [(l+K„3)R„p + qCosa + q-----Sina] Fk

v

a - угол между поверхностью элемента и направлением напряжений в силовом потоке.

Ki - коэффициент,учитывающий влияние действия сжимающей силы,направленной нормально к площади среза,и принимаемый по результатам испытаний равным 0,8 со -коэффициент неравномерности

распределения напряжений в сечении условного си лового купола,принимаемый равным 0,7 п - коэффициент,характеризующий эффективность давле ния от напрягаемой навивки n = Aq/Rp

Рю,- равнодействующая усилия,вызывающего отрыв части сечения в форме усеченного конуса от поверхности сердечника Рков = Rp ?отр +Ra F„/Sina Использование этой зависимости для практического расчета конструкций отражает физический смысл прочностных характеристик. Это позволяет на базе рассмотренной зависимости перейти к определению пределов трещиностойкости и упругой работы конструкции.

Однако при конкретном проектировании можно определять несущую способность круглых в плане архитравов цилиндрических станин из выражения:

L 4 Рраэр = 0,5 5 ( Rb + 4a0)d0D----г|тр Sin a

L+&3

где: ст0 = 1,ЗстВН/D

Н и D - соответственно,высота и диаметр архитрава;

св- установившееся напряжение в бетоне от обжатия ар-• хитрава напрягаемой навивкой.

ов = 2anFBn/dap стп - напряжение в проволоке навивки, установившееся

после проявления всех потерь. т|тр - коэффициент характеризующий влияние условий передачи нагрузки от рабочей напрягаемой арматуры на элемент и принимаемый в зависимости от соотношения H/D равным:

H/D 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Т)тр 1,33 1,25 1,2 1,17 1,14 1,125

Расчет эллиптических архитравов по прочности на перерезывающую сипу выполняется по формуле: О < Иср ВЬ2

Яср - предельное сопротивление двухосно обжатого бетона перерезывающей силе:

Яср = 0,17511а + 0, 8аср Ив - прочность бетона на сжатие, соответствующая его классу;

Стер- среднее нормальное напряжение в архитраве при совместном действии поперечного обжатия и эксплуатационной нагрузки;

В - расчетная ширина сечения, определяемая для эллиптического архитрава из зависимости: В =

В*- малый диаметр эллиптического архитрава.

Расчет железобетонных архитравов цилиндрических станин по выносливости производятся с учетом, особенностей режиу.ов загруже-

ния прессовых элементов,который реализуется введением коэффициента условий работы ув1 ,определяемого из выражения: уВ1 =(0,921-0,46ЬодЫ) (1-р)+(1+0,016ЬодК/ю) ■ Ы,а,р - соответственно количество циклов, частота приложения нагрузки и коэффициент ассиметрии цикла нагружения.

Таким образом имеется три коэффициента,описывающих работу бетона конструкции.Первый-учитывает влияние разброса свойств конструкции при расчете на прочность,а также вида напряженно-деформированного состояния,и при необходимости может корректировать сопротивление в пределах от нормативного до расчетного значений. Второй,- корректируя величину модуля упругости,изменяет приведенную жесткость элемента.При условии длительного прилогения нагрузки этот коэффициент рекомендуется снижать по сравнению с нормативной величиной 0,85 до 0,5 - 0,7 .Третий-характеризую-щий работу бетона на выносливость повышает расчетное сопротивление бетона имея ввиду его динамическое упрочнение.

В главе 4 раздела 3 проведен анализ критериальных подходов к оценке работоспособности силовых гидравлических цилиндров прессовых машин и резервуаров высокого давления и принципиальные отличия подходов к оценке напряженно-деформированного состояния конструкций.Получены на основе вариационно-разностного метода зависимости для определения напряженно-деформированного состояния кольцевого бетонного элемента при любых уровнях действующих нагрузок и условиях нагружения.

Железобетонную стенку силового гидравлического цилиндра пресса рассматриваем как однородную цилиндрическую оболочку,в которой радиальные смещения используя метод приведения и учитывая требования по стабильности деформаций во времени можно выразить зависимостью: Е5

и1У + — = о ;

ЕЬ

где: О4

{

12X1X2 11 - толщина стенки; Е - модуль упругости; %1 =1-ц ; \2 =1 + Р Выполнив ряд преобразований получаем:

Р2Г2 - Р1Г1 (Р2-Р1)Г1Г2 стг ----------------------- ;

Г1 - Г2 Г(Г1 -г2)

Р2г2 - Р1Г! ' (Р2 - РОг^г ^ -------------+--------

)

Г1 - Г2 Г(Г!-Г2)

По теории наибольших касательных напряжений получаем,что при Р2=0 наибольшая разность главных напряжений:

2Р2Г!

(сть - СТг)тах =--------- \

Г! -Г2

Отсюда следует,что начальные пластические деформации будут развиваться прежде всего у внутренней поверхности цилиндра когда (аь - аг)лих достигнет предела текучести материала.Увеличение наружного радиуса стенки цилиндра практически не будет способствовать уменьшению пластических деформаций и ограничению их распространения.

Полное исчерпание несущей способности произойдет,когда коль цевая пластическая зона достигнет внешнего контура стенки и материал у наружной поверхности стенки придет в состояние,при котором произойдет его разрыв.

В расчете стенки силового цилиндра при осесимметричных нагрузках исходим из уравнений равновесия в перемещениях,построен-

ных для пространственной задачи теории упругости в цилиндрических координатах.В отсутствии массовых сил уравнения принимают вид :

Р аи

-------+ р дих - Ох = 0 )

{

Р

-------+ р дц2 =0

(1-2у)

Е Е где:Их =-------иг ; и2 =------ и2 ; Р = г/г0 ; К = гх/г0 ;

(1+У)Го (1+У)Го

и=(а+1/р)их+уи2 ; ^=г/г0 ; аа=с^/ср"; уп=5п/а^п; а2+а/р+72=Д; г0- наружный радиус гх-.внутренний радиус

Для построения четырех частных решений этих уравнений используем решение в форме Б.Г.Галеркина: О =2(1-у)ДФ - дгасЗ йллг Ф где: Ф - произвольный бигармонический вектор.Его компоненты приняты в виде произведений систем функций,включающих переменную р и производные по 5 (степени величины у )и систем показательных функций по переменной £ :

1С, е«* ;

где Ъ^ - комплексные величины, определяемые из решения разрешающего уравнения при подстановке граничных условий на боковых поверхностях стенки цилиндра.

Применив систему гармонических и бигармонических функции, полученных с использованием функций Бесселя и Неймана первого и нулевого порядков, представляющих собой быстро сходящиеся ряды цилиндрических функций,а также проведя соответствующие преобра-

зования при р близком к единице и заданных граничных условиях по наружной поверхности цилиндра стг(1)=0 и Trz(¡;)=0, получаем:

а - В

Ф1 = 1 - е (------SinB§ + CosB§ ) •

2аВ

q (l-v)Krj. (1+v) 2 Ur=-----------[-----+ p ]Ф, ;

E (1 - К )p (1-v) K(1 + p) K(1 - p)

a» = q-------------i>i ; = -q------------ф1 /

P(1 - K) p(X - K)

К (l-v)(l+K -2p ) 2K Ln К

Cz =q------------[------------------'-----2Ln P - Ib ф1 ¡

2(l-v)(1-K ) 2(1+v) 1-K

q(l-v)K ro 4v l 1+v 1-K 2K Ln К

Uz =----------{---j Фй^ +[---(---+2Ln P)+------+p]y Ф1 ;

E (1-K ) l-v o l-v 2 1-K

К (1-p ) (l-v) (K-p ) К Ln К p Lnp 3

Xr2= q-----------[-----------------+-----jY Фх ;

2(l-v)(1-K ) 4(l+v)p p(l-K ) p(l-p)

Тогда формулы напряжений и перемещений имеют вид:

(l+v)rD (1 + v)rQ Ur =-------(R3Z! + R4Z2) ; Uz =-------(RjZ3 + R2Z4) ;

E E

acp=R7Z1+R8Z2 ;az=R9Zi+RioZ2 ; CTr=R5Zx+R6Z2 ; Tr2=RuZ4+Rl2Z4 ; rfle:Zi=C1y+C25+C3A+C4n ; y = Sha§ SinB^ ;8 = Sha£ CosB£ ; Z2=C1X+C2^+C3y+C45 ; X= Chat, SinB£ = Cha* CosB^ ; Z3=Cin-C2X+C35+C4y ; a = r CosO ; В = r SinO ¡ Z4=Ci6-C2y+C3n-C4>. ; i8i

Для первого корня разрешающего уравнения ti=ri е : rj. =2,98 ;01=27,5° и при v=0,15 ; а = 2,713 ; В =1 ,252.

Значения функций Ид. в зависимости от р и С при изменяющихся значениях Ь/2г0 принимаются по таблицам.

С целью учета влияния листового армирования,осевого н радиального обжатия,условий защемления и местного нагружения стенки цилиндра на части высоты,достижения общности исходных предпосылок , строгости подхода,сочетающегося с физической ясностью,наглядностью и простотой,был разработан метод расчета, применимый для целей практического проектирования.

С использованием вариационной формулировки задачи функционал внутренней энергии конструкции можно записать в виде: Э(и^)= 1/2^/(1-У2){(аи/аг)2+(аМ/аг)2+2у(ди/с1г) . (<№/аг) + + (1-у)/2. [ (£Ш/<Зг) + ((ЗИ/а2) ]г}с1г.сШ+1/2/ Е(и/г)2г.с1г где и,со - функции перемещений,соответствующие осям г и г;

Е,у -соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона П - расчетная область Произведя соответствующую перегруппировку, используем следующую схему физической дискретизации:разбиваем стенку цилиндра на условные балочные и кольцевые элементы, т.е.на две двухмерные основные системы.Взаимодействие между этими двумя дискретными основными системами в каждой точке осуществляется посредством обобщенного условного внутреннего неизвестного усилия.Кольцевая составляющая функционала внутренней энергии определяется из уравнений Лямэ для многослойного цилиндра(задача Гадалина).

Вычисление балочной составляющей прогиба сводится к определению перемещений статически неопределимой балки по формуле Мора.

Учитывая влияние внешней навивки,оказывающей реактивное давление на бетон,а также сопротивление металлической облицовки стенки цилиндра,получаем перемещения внутренней и внешней поверхностей стенки.

Результаты работы нашли конкретное воплощение в ряде машиностроительных конструкций и элементов оборудования, используемых в промышленности России.

Разработана проектная и техническая документация более чем на 350 железобетонных опорных конструкций и фундаментов различных типов машин и видов оборудования, из которых более 40 широко используются в промышленном производстве.До 1989 года ежегодно в нагнетательном оборудовании применялось более 18 тыс.куб.метров железобетонных опорных конструкций(более 75тыс.штук).Ежегодно производилось более 2,5 тыс.штук станин и оснований станочного оборудования.В промышленности работают 22 различных прессовых машины с железобетонными базовыми элементами.

О .В Ш И В_ВЫВОДИ

1. Разработаны теоретические основы проектирования,расчета и технологии изготовления базовых деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

2. Определены рациональные виды и типы оборудования, для которых технически и экономико-технологически эффективно применение железобетона и специальных бетонов, классифицированы основные элементы, базовые детали и опорные конструкции разнотипных машин и оборудования по эксплуатационным и технологическим критериям.

3. Выявлены особенности критериальных требований к материалам для изготовления элементов и деталей машин.Установлена возможность эффективного использования различных бетонов.

4. Исследована усадка бетона и приведены зависимости,позволяющие на любом из этапов жизни конструкции определить проявляющиеся деформации усадки.

5. Определены ыногофакторные зависимости,характеризующие прочность и деформативаость бетона при действии многократна ао-

вторяющихся динамических и импульсных нагрузок,основные принципы расчета конструкций и элементов машин на усталостную прочность, трещиностойкость и стабильную во времени деформативность при этих видах воздействий.

6. Разработаны специальные критерии для оценки качества бетонных поверхностей деталей и элементов машин и оборудования, которые достигаются точностью и чистотой поверхности палубы формы, ее жесткостью,правильностью подбора бетонной смеси и смазки.

7. Разработаны типы опорных конструкций и базовых элементов агрегатированных машин и станочного оборудования из железобетона и специальных бетонов,а также основные рекомендации по выбору их формы,конструированию сечений и привалочных плоскостей изделий, закладных деталей и способов их крепления,установки и фиксации.

8. Созданы принципиально новые конструкции станин и базовых деталей прессовых машин,в которых обеспечивается эффективность машины(снижение металлоемкости на 50 - 60% и стоимости),при одновременном улучшении её качественных характеристик (эффективная жесткость Сэф = №гс/Дмм прессов увеличивается в 6-11 раз по сравнению с металлическим аналогом).

9. Разработаны конструктивные решения железобетонных предварительно напряженных силовых гидравлических прессов (встроенных и вставных ),которые обеспечивают надежность конструкции в эксплуатации, техно логичность в изготовлении и ремонтнопригод--ность.

10. Экспериментальные исследования и анализ результатов испытаний опытных образцов и промышленной экплуатации базовых деталей станков и опорных конструкций агрегатированного оборудования выявили удовлетворительную стабильность их деформаций во времени. Возрастает запас прочности конструкции,увеличивается её жесткость,в 1,8-2,2 раза улучшаются виброаккустические характеристики станка и в 1,51-1,67 раза повышается расчетный коэффици-

ент производительности оборудования.Применение железобетонных опорных конструкций агрегатированного оборудования приводит к увеличению межремонтных сроков при эксплуатации в 1,35-1,57 раза при одновременном повышении расчетного коэффициента производительности оборудования в 1,15-1,18 раза.

11. Результаты исследований фундаментов под оборудование в виде плит постоянной и переменной жесткостей, включающих плиту подстилающего слоя типового пола промышленного здания и железобетонную опорную конструкцию агрегатированного или станочного оборудования,при действии динамических нагрузок выявили характер изменения амплитуд колебаний в зависимости от относительного места приложения нагрузки, жесткости опорной плиты и характеристик основания. Определена возможность "бёсфундаментной установки оборудования",смонтированного на железобетонных опорных плитах. Установлено,что агрегатированные на железобетонных опорных конструкциях нагнетательные и прочие агрегаты оборудования,работающие в частотном диапазоне от 5 до 20Гц, с нагрузкой при частоте до 10Гц не выше 40кН,а при 10-20ГЦ до 1кН,допускается устанавливать на типовые подстилающие слои полов промышленных зданий без устройства специальных фундаментов.

12. В работе рассмотрены и даны теоретические основы расчета железобетонных опорных конструкций агрегированного оборудования и базовых деталей станков,предложены зависимости, описывающие сложное напряженно-деформированное состояние конструкций в условиях действия комбинации воспринимаемых ими нагрузок(изгиб,кручение, сжатие с изгибом и пр),а также выявлено,что в ряде случаев могут быть успешно использованы практические методы строительной механики и теории упругости,применяемые при расчете металлических прототипов.

13. Определено,что усилия,возникающие в элементах железобетонных станин прессов,как от действия нагрузки,так и от темпера-

турных воздействий,могут определяться расчетом по правилам классической строительной механики,как для однородных упругих тел.

14. Суммарная деформативность железобетонной предварительно напряженной станины при действии предварительного напряжения и эксплуатационных нагрузок должна определяться как сумма деформаций её отдельных элементов(колонн,архитравов и пр.).Установлены факториальные зависимости, определяющие напряженно-деформированное состояние трубобетонных предварительно напряженных колонн станины,пределы прочности и упругой работы (до 0,7Ыпр) ,а также изменение параметров и жесткостных характеристик конструкции. На базе вариационного метода с использованием общего энергетического подхода С.П.Тимошенко, разработана математическая модель для расчета железобетонных архитравов станин прессов по деформациям и создан метод расчета,основанный на принципе дискретизации,по которому прогиб архитрава есть сумма деформаций изгиба,сдвига и обжатия в направлении действия эксплуатационного усилия.Разработана методика расчета архитравов по прочности и трещиностойкос-ти,основанная на эмпирических зависимостях,отражающих многофакторный анализ поведения конструкции. При расчете архитравов по выносливости при действии динамических или многократно повторяющихся нагрузок необходимо учитывать особенности режимов загруже-ния конструкций,вводя специальный коэффициент условий работы.

15. Разработана методика расчета сталежелезобетонного предварительно напряженного силового гидроцилиндра с использованием решения в форме Б.Г.Галеркина и системы бигармонических функций Бесселя-Нейыана,которые позволяют построить достаточно простые расчетные формулы.Разработан,с использованием вариационной формулировки задачи и применением функционала внутренней энергии конструкции практический инженерный метод расчета,учитывающий условия и основные факторы,влияющие на напряженно-деформирован-

кое состояние,причем исходная пространственная задача,определяющая условия работоспособности цилиндра, решается с использованием схемы физической дискретизации,при которой стенка цилиндра разбивается на балочные и кольцевые элементы и взаимодействие между двумя дискретными системами в каждой точке осуществляется посредством введения обобщенного внутреннего неизвестного усилия.

Оеяояямя nyfimncamra автора по работа

1. Браиловский М.И. Железобетонные предварительно-напряженные станина прессов / Опыт применения железобетона в машиностроении.-М.-ЦИНТНАМ.-1964

2. Браиловский М.И. К исследованиям несущей способности двухосно напряженных сплошных цилиндров, нагруженных осесимиетричной нагрузкой и опертых на кольца / Прочность и дефориатавность бетона и специальных железобетонных конструкций,-Стройиздат,- М.-1972

3. Браиловский М.И., Сшгаак Л.Р. Комбинированные фундаменты агрегатирован-ного технологического оборудования /-ВНИИС.- М.- 1982.-вып.2

4. Браиловскнй И.И., Спивак П.Р.# Васильев В.В. Опыт изготовления железобетонных опорных конструкций под агрегатированное насосное и компрессорное оборудование / Минмонтажнефтемав,- М.- 1979

5. Браиловскнй М.И. Железобетонные базовые детали машин и оборудования. /Железобетон в конструкциях а фундаментах машин/-НИИЖБ.- М.-1964

6. Браиловский М.И., Астрова Т.Н. Экспериментальные исследования элементов железобетонных станин цилиндрической формы для кузнечно-прессовых машин в другого оборудована« // Применение железобетона в машиностроении / Машиностроение," M.-1964-c.266-306

7. Браиловскнй М.И., Шумаев в.А. Эффективность н перспективы применения железобетона и специальных бетонов в матиностроении/ЦНИИТЭМС.-М.-1988

8. Браиловский М.И. Применение специальных бетонов в машиностроении / ЦНИИТЭМС.- М.-1990

9. Браиловский М.И., Зильберберг A.C. Применение железобетона в машиностроении.// Учебное пособие/,- НШНСБ,Инстатут повышения квалификации руководящих работников а специалистов строительного производства,- Нижний Новгород ,- 1992

10..Людковскай И.Г., Браиловский М.И., Краснов Ю.В. Предварительно напряженные железобетонные гидравлические цилиндры.// Прочность и деформативность бетона и специальных железобетонных конструкций.-М.- НИИЖБ.-Стройиздат,-1972.

11..Людковский И.Г., Бранловский И.И., Железобетонные опорные плиты агрегатного оборудования // Сб.тр.Сборные железобетонные опорные плиты агрегатного оборудования,- М.- НИИЖБ.-1974,-вып.15,-

12. Бранловский И.И., Рычагов Г.я. Жесткость цилиндрических массивных железобетонных предварительно напряженных станин // Прочность и деформативность бетона и специальных железобетонных конструкций/ Сб.трудов НИИЖБ.- Стройиз-дат .- М.- 1972.

13. Бранловский М.И. К определению несущей способности двухосно напряженных архитравов железобетонных цилиндрических станин прессов // Ученые записки Кабардино-Балкарского государственного университета/,-вып.44,- се-

рвя"Строительные конструкции а архитектура",- Нальчик,- 1972г.

14. Бранловский М.И. Арматурные элементы из стали класса А-У для специальных железобетонных конструкций // Новая горячекатанная арматурная сталь класса А-У/,- Материалы координационного совещания,- НИИЖБ,-М,-1973

15. Бранловский М.И. Железобетонная предварительно напряженная станина пресса К-117ЖБ II Вестник машиностроения /,- №7,- М,-19б5

16. Бранловский И.И. Пресс со станиной колонного типа из предварительно напряженного железобетона / Вестник машиностроения , - №4,- М,- 1966

17. Бранловский М.И. Железобетонные гидравлические силовые цилиндры для прессов и емкости высокого давления//Ученые записки Кабардино-Балкарского государственного университета/,-серия "Строительные конструкции и архитектура",- вып.44,- Нальчик,- 1972

18. Brailovaki M.I., Paturoev V.V., Solovjov G.К. Application of polimer concretes in machine and tool making industry II fill International Congress on polymers in concrete/,- Oostende(Belgium),- 07.1995

19. Бранловский М.И. Конструкции из специальных бетонов и железобетона в машиностроении// Бетонные конструкции машин и оборудования/ -Сб.научных трудов,- НИИЖБ,- М,- 1990

20. Бранловский М.И. Применение железобетона для изготовления элементов технологических и испытательных прессовых машив // Бетонные конструкции машин и оборудования/,- Сб.научных трудов,- НИИЖБ,- М,- 1990

21. Бранловский М.И. .Преображенский Я.П. Исследование напряженно-деформированного состояния композитной сталежалазобетонной конструкции гидроцилиндра пресса.

22. Браиловсквй М.И. Экспериментально-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных толстых плит произвольной формы а плане,обжатых по боковой поверхности преднапряженной высокопрочной проволокой, с металлическими листами на верхних и нижних торцах.

/

Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона

Н И И Ж Б

На правах рукописи

Малодеформируемые элементы и детали машин из железобетона и специальных бетонов.

Специальность 01.02.06 - Динамика,прочность машин,приборов и

аппаратуры

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой стейени т \ доктора технических . на^ук' у

-/(Л*

Москва - 1997г.

)>А

Оглавление

Введение

Раздел 1. Конструкции элементов и деталей машин из

железобетона и специальных бетонов_11

Глава 1.1.Виды и типы машин и оборудования с элементами

из железобетона и специальных бетонов _______11

Глава 1.2. Отечественный и зарубежный опыт применения железобетона и специальных бетонов

в машиностроении _15

Глава 1.3. Особенности требований к конструкциям для машиностроения,выполненным из железобетона

и специальных бетонов_47

Глава 1.4. Общие задачи исследования базовых и опорных

конструкций и элементов машин и оборудования из

железобетона и специальных бетонов _61

Глава 1.5. Классификация базовых деталей и элементов оборудования, выполняемых из железобетона и

специальных бетонов _65

Глава 1.6. Исследование критериальных особенностей

материалов для изготовления машиностроительных конструкций и элементов 7 3

1.6.1. Усадка и ползучесть бетона_76

1.6.2. Температурные характеристики и стойкость специальных бетонов и железобетона при агрессивных воздействиях применительно к изделиям машиностроения__86

1.6.3. Деформативность и прочность бетона при действии многократно повторяющихся, динамических

и импульсных нагрузок_

1.6.4. Стабильность геометрических параметров

базовых деталей станков_103

1.6.5. Качество изделий по критериям чистоты поверхности и точности изготовления _11

Выводы по разделу 1 _120

Раздел 2 Экспериментальные исследования базовых конструкций, элементов и деталей машин и оборудования, выполненных из специальных

бетонов и железобетона__122

Глава 2.1. Экспериментальные исследования базовых и

опорных конструкций машин и агрегатированного оборудования__122

Глава 2.2. Исследование условий установки оборудования

в эксплуатации _135

Глава 2.3. Анализ результатов экспериментальных

исследований базовых и опорных конструкций

агрегатированного оборудования _146

Глава 2.4. Экспериментальные исследования базовых

конструкций и элементов станочного оборудования из железобетона и специальных бетонов 151

Глава 2.5. Экспериментальные исследования объёмно-напряженных железобетонных и композитных конструкций и элементов прессовых машин и

силового оборудования_177

Глава 2.6. Экспериментальные исследования объёмно-

напряженных композитных конструкций силовых цилиндров прессовых машин и резервуаров

высокого давления_238

Выводы по разделу 2_2 65

Раздел 3. Аналитические исследования разнотипных

конструкций машин и оборудования из железобетона

и специальных бетонов _272

Глава 3.1. Аналитические исследования базовых и опорных конструкций из железобетона и специальных

бетонов_ 275

Глава 3.2. Аналитические исследования базовых

деталей и элементов станочного оборудования из

железобетона и специальных бетонов_298

Глава 3.3 Аналитические исследования железобетонных объёмнонапряженных базовых конструкций и

элементов прессовых машин _328

Глава 3.4. Теория расчета железобетонного предварительно

напряженного силового цилиндра пресса._375

Общие выводы по работе_406

Использованная литература__416

Приложение 1 _451(1)

Введение

Задачей машиностроения является улучшение качества, точности и скоростных эксплуатационных характеристик машин и оборудования, при одновременном снижении их стоимости,трудоемкости изготовления и увеличении единичной мощности.

В повышении технического уровня современных машин и оборудования одним из оправданных путей явилось увеличение доли применения неметаллических материалов для изделий,традиционно изготовляемых из металла.Применение поликристалических композитных материалов открывает новые возможности улучшения и регулирования характеристик конструкций в эксплуатации,по сравнению с монокристаллическими материалами,возможности которых в ряде случаев оказываются исчерпанными.В машиностроении США доля применения таких материалов составляет примерно 15-20%,в Японии к 2000 году составит около 50%,в Германии-до 30%.В России она равна всего около 2% и тенденция ее роста во многом зависит от отсутствия теоретически обоснованной методологии.

Современный уровень развития строительной технологии и конструкций позволяет успешно решать проблему совершенствования машиностроительной продукции за счет использования специальных бетонов и железобетона,как обычного,так и одноосно-, двухосно- или объемно предварительно напряженного.

Опыт применения железобетона и специальных бетонов в машиностроении восходит своими истоками к началу века и обоснован трудами таких выдающихся ученых, как Фрейсине, Гийон, Леонгардт,а в России - Белелюбский, Шухов, Глик, Мурашев, Васильев, Булгаков, Никитин, Людковский и др.

Ранее при создании конструктивных решений элементов машин из железобетона,рассматривались лишь аспекты снижения расхода металла ,улучшения экономических показателей и разрешения технологических сложностей,вызванных необходимостью изготовления крупногабаритных и тяжеловесных элементов машин.В процессе эксплуатации оборудования с бетонными и железобетонными элементами выявились их значительные производственные преимущества,определяемые улучшением точностных,прочностных и др.показателей машин,за счет применения новых материалов.Для обоснованного использования этих преимуществ возникла задача установления новых параметров,определяющих подходы к разработке конструкций и оценке их напряженно-деформированного состояния для различных типов и видов машин. Ввиду многообразия и специфики машин,в машиностроении превалирующее значение имеют индивидуальные требования к ним по виду и характеру их использования.Часто новые машины создаются с применением метода аналогий,когда основные параметры установлены условиями эксплуатации предшествующего оборудования аналогичного назначения. Отсутствуют единые нормативные подходы,обобщающие конкретные требования и условия для всех типов и видов машин.Создание таких подходов возможно только с введением некоторых новых критериальных предпосылок позволяющих ограничить многотипность и различие эксплуатационных условий.

Специфические условия работы машин и оборудования требуют, соответственно, специфических подходов к оценке напряженно-деформированного состояния конструкций.В связи с массивностью и сложной формой используемых в машиностроении систем и конструкций, работающих в условиях объемного напряженного состояния^с-пользование существующих методов определения деформаций и несущей

способности массивных конструкций из железобетона и специальных бетонов требует преодоления серьезных трудностей вычислительного характера.Основная трудность в реализации универсальных численных методов состоит в решении громоздких систем разрешающих алгебраических уравнений.Для преодоления этих трудностей развиваются различные варианты численных методов итерационного типа.

В то же время анализ существующих способов решения трехмерных задач теории упругости показал,что ни точный метод решения систем разрешающих уравнений,ни итерационные экономические разностные схемы не обладают достаточной эффективностью для решения широкого класса задач.

С этой точки зрения успешным представляется метод полуитерационного типа,сочетающий расчет конструкций на двух сет ках.При этом итерационный процесс решения на мелкой сетке сочетается с решением задачи точным методом на крупной сетке.Такой способ решения трехмерных краевых задач может обеспечить необходимую сходимость итерационного процесса при расчете достаточно широкого класса массивных конструкций.Этот метод развивается в настоящей работе.Рассмотрены вопросы расчета толстых плит с учетом деформаций сдвига,а также искривления нормальных сечений и наличия вертикального обжатия.

На основе многолетних научных исследований,проведенных непосредственно автором,а также многочисленных проектных проработок и длительной подконтрольной промышленной эксплуатации опытных машин, определены основные классификационные типы конструкций для машин и оборудования,которые целесообразно выполнять из специальных бетонов и железобетона.

В работе доказано,что из железобетона и специальных бетонов могут быть изготовлены базовые конструкции и детали,а также элементы различных машин и оборудования,на которые расходуется до 70% металла,потребляемого в машиностроении.

Применение железобетона и специальных бетонов дает возможность снизить расход металла до 85%,стоимость до 55-65% и трудоемкость изготовления на 20-25%.При этом существенно улучшаются качественные показатели машин и оборудования.

Железобетонные и полимербетонные основания станочного оборудования обеспечивают повышение точности и чистоты обработки деталей на станке,уменьшение амплитуды относительных колебаний системы деталь-резец,пиков виброскорости колебаний и сужение или полное исключение спектра резонансных частот, особенно в высокочастотном диапазоне.

Применение объёмно напряженных железобетонных элементов и базовых деталей прессовых машин исключает ограничения связанные с отливкой,сваркой,механической обработкой,транспортировкой и сборкой крупногабаритных тяжеловесных деталей.Исследования и конструктивные проработки показали,что из железобетона могут быть созданы станины прессов на усилия в сотни меганьютонов, различные крупногабаритные высоконапорные сосуды и пр. , удовлетворяющие требованиям по деформативности и прочности.

Существенные особенности содержат разработки методов оценки напряженно-деформированного состояния элементов и деталей,выполненных из железобетона и специальных бетонов. Жесткие требования к конструкциям по ограничению их деформаций до микронных значений и обеспечению долговременной стабильности этих деформаций,привели к необходимости установления новых конструктивных и аналитических

подходов,новых критериальных зависимостей для материалов,новых технологических приёмов изготовления конструкций.Особо важно это для объёмно напряженных сталежелезобетонных элементов кузнечно-прессовых машин,силовых высоконапорных цилиндров и резервуаров,в которых требования по ограничению деформаций совмещены с необходимостью восприятия конструкцией значительных статических,многократно-повторных и ударных нагрузок.

Цель работы г

Разработка основ проектирования,экспериментально-теоретических методов оценки напряженно-деформированного состояния и технологии изготовления базовых деталей, конструкций и элементов машин и оборудования с ограниченными по величине и стабилизированными во времени деформациями,выполненных из железобетона и специальных бетонов.

В задачи работы входило:

- Установление номенклатуры элементов машин и оборудования, для которых применение железобетона и специальных бетонов повышает качество и экономически эффективно.

- Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных элементов разнотипных машин и оборудованния,учитывающих специфику условий нагружения конструкций и требования по ограничению их стабильных во времени деформаций при действии статических и динамических нагрузок,на базе аналитических методов и результатов экспериментальных исследований.

- Разработка основных принципов конструирования и технологии изготовления базовых деталей и элементов машин и оборудования, выполняемых из железобетона и специальных бетонов.

-Установление критериальных зависимостей для материалов (железобетона и специальных бетонов),определяющих их соответствие специальным требованиям к изделиям машиностроения(деформативнос-ти,прочности,ударной и динамической стойкости, вибропоглащению, снижению виброскорости,агрессивной стойкости, длительной стабильности параметров,заданных характеристик чистоты и точности поверхностей и пр.).

Для достижения пели и решения поставленных задач выполнены комплексные исследования,которые включали:

1. Анализ условий работы базовых деталей и элементов разнотипных машин и оборудования, выполняемых из железобетона и специальных бетонов, сертификация их по основным параметрам и создание видовой классификации.

2. Оценку напряженно-деформированного состояния элементов машин,разработку экспериментально-теоретических основ для их расчета и создание практических инженерных методов определения де-формативности и несущей способности конструкций.

3. Установление принципов формообразования изделий для машиностроения из бетонов,разработку новых автоадекватных конструктивных решений элементов машин и оборудования, новых форм конструкций, отвечающих эксплуатационным требованиям.

4. Подбор бетонов и железобетона,со свойствами,отвечающими требованиям к изделиям машиностроения, уточнение критериальных зави-

симостей,определяющих применимость этих материалов при изготовлении элементов машин и оборудования.

5. Разработка методик испытаний высокоточных и малодеформируе-мых конструкций с использованием современной испытательной технологии и моделирующие лабораторные исследования разнотипных элементов оборудования и машин.

6. Комплекс натурных исследований машин и оборудования с элементами из железобетона и специальных бетонов для установления эксплуатационных параметров напряженно-деформирован- ного состояния и выявления стабильности их в процессе длительной промышленной эксплуатации.

7. Установление оптимальных конструктивных форм и технологических решений разнотипных базовых деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

8. Промышленное внедрение деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

•

Автор защищает:

Результаты экспериментально-теоретических исследований и, созданные на их основе, принципиально новые эффективные конструкции для машиностроения из железобетона и специальных бетонов, в том числе:

1. Предложенные автором и проверенные в экспериментальных исследованиях и при практическом промышленном внедрении,конструкции базовых деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов :

-опорные и фундаментные плиты,а также сборные и сборно-монолитные фундаменты агрегатированного оборудования; -основания и станины станочного оборудования; -станины мощных и сверхмощных прессов усилием до 500 МН; -силовые цилиндры прессов и напорные ёмкости и резервуары -конструктивные элементы оборудования(грузы,противовесы, корпуса и пр.)

2. Методы оценки напряженно-деформированного состояния разнотипных бетонных и железобетонных элементов машин и оборудования, определения их деформативности и несущей способности, построенные на основе единого критерия эксплуатационной пригодности .

3. Метод расчета сборных и сборно-монолитных облегченных фундаментов агрегатированного оборудования,включающих монтажно-транспортные железобетонные плиты и подстилающие слои типовых полов промышленного здания.

4. Результаты экспериментальных исследований опытных и натурных промышленных образцов элементов машин из железобетона и специальных бетонов.

5. Новые, экспериментально установленные критериальные зависимости и параметры материалов (железобетона и специальных бетонов) и технологии производства,соответствующие требованиям к элементам и базовым деталям машин и оборудования,в части вибростойкости и вибропоглащения,агрессивной стойкости,а также точности и чистоты поверхности.

6. Нормативные и рекомендательные документы по проектированию элементов и деталей машин из железобетона и специальных бетонов .

Научная новизна

1. Выявлены новые возможности расширения областей применения железобетона и специальных бетонов для элементов машиностроительного производства, классифицированных на основе условий эксплуатации .

2. Развиты представления о новых свойствах железобетона и специальных бетонов применительно к требованиям машиностроения в части: малой по величине и стабильной во времени деформатив-ности,прочности и выносливости,виброползучестивибрационной, ударной и агрессивной стойкости и пр..

3. Разработаны,на основе единого критерия эксплуатационой пригодности ,выражаемого соотношением скорости нарастания деформаций и скорости изменения внешних воздействий,методы оценки прочностных и деформативных характеристик конструкций и эле ментов машин и оборудования п