Северсталь: Инжиниринговый портал

Публикации

Стальные стеллажные системы являются неотъемлемым элементом современной складской и производственной инфраструктуры. Наибольшее распространение получили фронтальные паллетные стеллажи, представляющие собой самонесущую сборно-разборную конструкцию на основе холодногнутых стальных профилей.

Дмитрий Нуштаев

Ведущий эксперт группы компьютерного моделирования

Основными её элементами являются перфорированные вертикальные стойки и горизонтальные несущие балки. В зависимости от конкретного назначения, крепление балок к стойкам обычно осуществляется с помощью быстросъемных кронштейнов, реже используются болтовые соединения и очень редко сварные. Кронштейны, изготовленные в виде Г-образной стальной пластины, привариваются к торцам горизонтальных балок. На одной из поверхностей имеются выступающие крючки-зацепы, которые входят в перфорационные отверстия стойки и фиксируются. Подобные безболтовые узлы крепления обеспечивают экономию затрат на изготовление и сборку, а также позволяют проводить быстрое конфигурирование системы под текущие потребности склада, что является основными причинами их широкого применения.

Рисунок 1 - Типовая конструкция фронтального стеллажа

Производительность и надежность стеллажных систем напрямую зависит от эффективности узла крепления, его работа является важнейшей по отношению к работе всей конструкции стеллажа. Одним из направлений по улучшению эксплуатационных характеристик является применение сталей более высокого класса прочности. На текущий момент традиционными марками сталей, используемыми отечественными производителями стеллажных систем, являются Ст3 и 08ПС. Из Ст3 изготавливаются несущие балки, стойки и элементы раскосной системы, а 08ПС используется для производства быстросъемных кронштейнов. Мы провели оценку возможности и перспектив замены материала кронштейнов 08ПС на стали повышенного класса прочности С355, С420 и С460. На основе результатов экспериментальных исследований и численного моделирования, было рассмотрено влияние замены материала на моментно-поворотную характеристику узла крепления, величину изгибной жесткости и прочности соединения.

Для проведения испытаний была изготовлена опытная партия кронштейнов из сталей 08ПС и С420, стоек и балок из Ст3. Изготовление кронштейнов из более прочной марки стали С420 не потребовало изменения технологического процесса и модернизации действующего оборудования.

В результаты были получены экспериментальные зависимости угла поворота от величины изгибающего момента. Кронштейны из С420 продемонстрировали сравнительно более умеренное падение касательной жесткости с достижением высоких значений предельного изгибающего момента. Замена 08ПС на С420 обеспечила рост предельного изгибающего момента на 24% с 1662 Нм до 2186 Нм, соответственно.

Рисунок 2 - Результаты экспериментальной оценки жесткости и прочности кронштейнов из 08ПС и С420

На базе метода конечных элементов сформирована детализированная численная модель узла крепления и проведена её валидация по экспериментальным данным. На основе разработанной модели проведена оценка напряженно-деформированного состояния конструкции в ходе нагружения и выполнены расчеты для дополнительных марок сталей С355 и С460.

Рисунок 3 - Напряженно-деформированное состояние узла крепления (масштаб х2): а – деформированная форма с полем перемещений, мм; б –распределение напряжений в стойке, МПа

Рисунок 4 - Распределение напряжений (МПа) и пластических деформаций в кронштейне (масштабный фактор х2)

Анализ полученных результатов показал, что на начальном этапе нагружения, деформирование узла крепления происходит в преимущественно упругой области без значимого влияния класса прочности стали на изгибную жесткость. При дальнейшем нагружении наблюдается интенсивное пластическое деформирование, что приводит к существенному снижению касательной жесткости. В сравнении с 08ПС, более прочные марки стали демонстрируют большую протяженность квазилинейного участка диаграммы с сохранением высокого уровня изгибной жесткости вплоть до М≈1,3 кНм. При схожих уровнях нагружения с увеличением класса прочности стали уменьшается количество очагов и интенсивность пластического деформирования, что положительно сказывается на надежности и долговечности конструкции.

С ростом класса прочности стали происходит увеличение величины предельного изгибающего момента от минимального расчетного значения в 1730 Нм для 08ПС, до максимального 2250 Нм для С460, что увеличивает коэффициент запаса прочности и дает дополнительную страховку при работе конструкции в области нерасчётных нагрузок. При необходимости дальнейшего увеличения грузоподъемности узла крепления, необходимо проведение комплексной замены как материала кронштейна, так и стойки.

В первую очередь, замену материала кронштейна с 08ПС на С420 целесообразно проводить для высоконагруженных узлов крепления. Помимо гарантированного увеличения предела прочности на изгиб, использование С420 обеспечит снижение общих прогибов балки за счет увеличения квазилинейного участка диаграммы М-θ. Для узлов, работающих в менее нагруженных условиях, увеличение класса прочности стали может рассматриваться с точки зрения улучшения запасов по усталостной прочности с увеличением срока эксплуатации.

Мы готовы провести аналогичные исследования для производимых Вами стеллажных систем с учетом технических возможностей используемого оборудования. В рамках работы могут быть подобраны оптимальные марки стали и сечения профилей, проверены и доработаны узлы креплений, определена техническая возможность производства, предварительно оценены изменения затрат и технических характеристик готового изделия. 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