Эксплуатационные воздействия

В процессе эксплуатации конструкции подвергаются механическим (силовым) и физико-химическим воздействи­ям. Силовые воздействия реализуются в виде внешних на­грузок (весовых, инерционных, ветровых и пр.), которые рассмотрены в гл. 2, и опорных реакций. Наиболее типич­ными физико-химическими воздействиями являются теп­ловые и коррозионные.

Тепловые воздействия в зависимости от причин, их вы­зывающих, делятся на климатические и технологические. Климатические тепловые воздействия на конструкцию свя­заны с природными факторами — изменением температу­ры окружающего воздуха, потоками солнечного тепла и пр. Технологические тепловые воздействия создаются ис­кусственными источниками тепла, расположенными вбли­зи конструкции. В результате тепловых воздействий в кон­струкции формируется температурное поле, которое может быть стационарным, т. е. не изменяемым или очень мед­ленно изменяемым во времени, или, чаще, динамическим. Наиболее негативное влияние на работоспособность и дол­говечность конструкции оказывают переменные по объ­ему динамические температурные поля.

Температурное поле стальной конструкции, возникаю­щее под действием тепловых климатических воздействий, зависит от температуры окружающего воздуха, а также от силы ветра и влажности поверхности конструкции, кото­рые способствуют улучшению теплообмена и отводу тепла с наветренных сторон. Кроме того, в ясную погоду даже при морозе происходит нагрев поверхностей конструкции с солнечной стороны. Любое изменение погоды влечет из­менение параметров тепловых воздействий. Все это созда­ет динамическое температурное поле, которое вызывает неравномерные температурные деформации и напряжения в элементах конструкций.

Климатические воздействия имеют большой разброс, по­этому для технических целей они нормированы. Территория Земли разделена на зоны, каждая из которых характеризуется соответствующим типовым климатом (ГОСТ 15150-69). В зависимости от климата, для которого предназначены изделия, они изготавливаются в исполнении У — для уме­ренного климата, исполнении ХЛ — для холодного клима­та, УХЛ — для умеренного и холодного климата, М — для умеренно-холодного морского, который распространяется на акватории морей и океанов севернее 30° северной ши­роты и южнее 30° южной широты и т. д. Территория Рос­сии расположена в зонах умеренного и холодного клима­та. Более детальная система районирования страны и ста­тистические характеристики климатических воздействий приведены в ГОСТ 16350-80.

Уровень климатических воздействий на технику зависит также от условий ее размещения. Согласно ГОСТ 15150-69, установлено пять типовых категорий размещения техни­ки: 1 — на открытом воздухе; 2 — под навесом или в помещении без теплоизоляции; 3 — в закрытом помеще­нии с естественной вентиляцией; 4 — в помещении с ис­кусственными климатическими условиями; 5 — в поме­щениях с повышенной влажностью (подвалы, шахты). Со­четание показателей климатического исполнения и кате­гории размещения техники определяют группу условий эксплуатации, которая обозначается, например, как У1 или ХЛ2.

Наиболее значительным негативным климатическим фак­тором для металлических конструкций является низкая температура. Минимальные рабочие температуры, установ­ленные для различных условий эксплуатации, приведены в табл. 9.1.

Технологические тепловые воздействия в основном сво­дятся к нагреву элементов конструкции от источников теп­ла, расположенных вблизи нее. Такими источниками слу­жат технологические установки, действующие в зоне ра­боты подъемно-транспортной машины, или транспортиру­емый груз. Иногда эти воздействия достаточно стабильны и создают практически стационарное температурное поле (например, на тепловых станциях или в цехах установки бумагоделательных машин), которое при Т < 80-^100 °С не влияет на работоспособность конструкции. В других слу­чаях конструкция находится под действием локальных теп­ловых потоков от мартеновских и колодцевых печей, кон­вертеров, ковшей с жидким металлом и других объектов. Причем эти потоки переменны во времени, так как изме­няется режим работы технологических установок, изменяется положение конструкции относительно источника тепла при работе крана. В результате они формируют в конструкции динамическое температурное поле, которое представляет наибольшую опасность, приводя к появлению значительных местных напряжений, деформаций, трещин и выпучиванию листовых элементов. Значения этих воз­действий должны быть указаны в техническом задании на проектирование машины. Наиболее эффективным ме­тодом предупреждения указанных повреждений является защита конструкций от локального теплового воздействия (например, путем отражения его экранами или рассеива­ния по большей площади конструкции).

Таблица 9.1

Минимальные рабочие температуры воздуха (°С) по ГОСТ 15150—69

* Для изделий, которые могут иметь перерывы в работе (в том числе для большин­ства грузоподъемных машин), минимальная рабочая температура может приниматься равной -40 °С.

Коррозионное воздействие на конструкции машин в ос­новном связано с состоянием атмосферы, наличием в ней агрессивных примесей и влаги. В наибольшей степени ус­корению коррозии способствует влажность, а также при­сутствие в атмосфере сернистого газа SO₂, хлористых со­лей (в приморских районах), хлора, сероводорода, аммиака, паров кислот и других соединений, которые попадают в атмосферу промышленных предприятий [30, 106, 115].