Северсталь: Инжиниринговый портал

Публикации

Герой нашего сегодняшнего рассказа – контейнер для сбора и транспортировки крупногабаритных отходов емкостью 9 м³, грузоподъемностью 7 тонн. Ежегодно в России производятся сотни подобных контейнеров в разных модификациях. Они используются в коммунальном хозяйстве, а также на строительных площадках. На его примере мы покажем, как современные высокопрочные стали могут быть эффективно применены в широком спектре изделий.

Вера Веденина

Ведущий эксперт (компьютерное моделирование процессов и изделий)

Рисунок 1. Контейнер в одном из дворов г.Череповца

Контейнер изготовлен из стали 09Г2С, применяются листы толщиной 3 мм и профили с толщиной стенки 3 мм. Масса контейнера составляет 600 кг, срок службы – 3-4 года. Мы покажем, что замена марки стали на Powerform 500 (таблица 1) позволит снизить толщину используемого листового проката до 2,5 мм, в стенок профилей – до 2 мм без потери эксплуатационных характеристик, но с существенным снижением затрат на изготовление и серьезным вкладом в сохранение экологии.

Таблица 1. Сравнение механических свойств проката стали 09Г2С и Powerform 500

Марка стали	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
09Г2С	не менее 345	не менее 490	не менее 21
Powerform 500	не менее 500	550-700	не менее 14

Базовая схема нагружения контейнера заключается в равномерном распределении груза весом 7 тонн по его объему и подъеме контейнера 4 крюками.

Рисунок 2. Базовая схема нагружения контейнера

На рисунке 3 приведено сравнение результатов расчета напряжений и прогибов для исходного и предлагаемого вариантов.

Рисунок 3. Сравнение результатов расчета для базовой схемы нагружения

При равномерной загрузке локализация максимальных напряжений в обоих случаях практически идентична. Имеется существенный запас прочности: напряжения не превышают 60% от предела текучести 09Г2С для базового варианта и 70% от предела текучести Powerform 500 для предлагаемого варианта. Причиной различий в распределении прогибов является изменение характера жесткости всей конструкции при изменении толщин стенок отдельных элементов. Если в базовой конструкции максимальные прогибы локализовались на дне контейнера и достигали 11 мм, то в облегченной конструкции они так же не превышают 11 мм, но это отклонение на верхней части боковой стенки. Такое изменение геометрии не повлечет за собой усталостную деформацию несущих частей контейнера, как в базовом варианте, где достаточно быстро донная часть накапливает остаточные деформации и становится выпуклой. На реальных контейнерах такие изменения хорошо заметны на наклонных площадках дна (Рисунок 4).

Рисунок 4. Деформации наклонных площадок дна контейнера

На рисунке 5 ниже видно, что места для захвата стропами не всегда деформируются в одинаковой степени. Передний крюк сильно отклонился от исходного положения, причиной тому могут быть как погрешности при производстве, так и особенности эксплуатации.

Рисунок 5. Деформации мест строповки

К особенностям эксплуатации можно отнести ситуацию, когда в перемещении груза задействованы только три из четырех крюков (Рисунок 6). Такой вариант мы тоже рассчитали для исходного и предлагаемого вариантов конструкции.

Рисунок 6. Опирание контейнера на 3 крюка

Сравнение распределение напряжений и прогибов для исходного и предлагаемого вариантов представлено на рисунке 7. Существенных различий между вариантами нет, во втором варианте прогибы дна смещаются к месту где «потеряна» опора, но в обоих вариантах максимальные перемещения на уровне 13мм.

Рисунок 7. Сравнение результатов расчета для схемы опирания на 3 крюка

Также мы решили посчитать, что будет если одна из сторон контейнера полностью потеряет опору уже будучи поднятой с земли. Для этого мы создали двухэтапную модель процесса как показано на рисунке 8. На первом этапе реализовано обычное нагружение на 4 опоры с жестким закреплением, а на втором этапе мы имитируем обрыв стропы «отключением» закрепления по двум опорам и меняем направление действия силы тяжести для облегчения и ускорения расчета.

Рисунок 8. Двухэтапная модель для имитации потери опоры одной стороной контейнера

Естественно, оба варианта показали неутешительные результаты (рисунок 9). В обоих случаях прогибы по значениям очень близки, контейнер получит существенные повреждения и потребует капитального ремонта, а более тонкий металл легче выправить или вырезать и заменить.

Рисунок 9. Сравнение результатов расчета для ситуации потери опоры одной стороной контейнера

Таким образом, предлагаемая облегченная конструкция контейнера из Powerform 500 по прочностным и жесткостным характеристикам не будет иметь существенных отличий от применяемой сейчас конструкции из стали 09Г2С. В тоже время с точки зрения экономических и экологических аспектов – предлагаемая конструкция намного эффективнее:

- Собственная масса контейнера снижается на 27% или 162 кг. C учетом разницы в цене 09Г2С и Powerform500 затраты на металлопрокат снизятся на 10-15%;

- Меньшая металлоемкость изделия приводит и к меньшей эмиссии парниковых газов, снижение составит примерно 308 кг СО2 на 1 контейнер. Гектар лиственного леса поглощает такое количество углекислого газа за 19 дней, а одно дерево – за 21 год.

Одной из частых причин капитального ремонта или вывода контейнера из эксплуатации является коррозия. На рисунке 10 хорошо видны повреждения внутренних поверхностей с признаками коррозии, которые позже превращаются в сквозные отверстия. Особенно быстро это происходит при перевозке строительного мусора или органических отходов. На это случай у нас тоже есть решение – атмосферостойкий прокат Forcera сопротивляется распространению коррозии в 3-5 раз лучше чем обычные стали. Подробности – в нашей статье.

Рисунок 10. Повреждения внутренних поверхностей контейнера

Мы готовы провести аналогичные исследования для производимых Вами изделий, подобрать оптимальные марки стали и толщины с учетом особенностей конструкции, возможностей Вашего оборудования, требований к готовой продукции. Пожалуйста, напишите нам в форме обратной связи в случае заинтересованности в проведении такой работы.

Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для нас. Спасибо за внимание!

С уважением, команда Инжинирингового портала