Устойчивость башенных кранов при переменных эксплуатационных состояниях

УДК 621.873.252:624.046 ББК 38.6-445.22-02

А. В. Синельщиков, Б. Л. Булатов

УСТОЙЧИВОСТЬ БАШЕННЫХ КРАНОВ ПРИ ПЕРЕМЕННЫ1Х ЭКСПЛУАТАЦИОННЫ1Х СОСТОЯНИЯХ

A. V. Sinelshchikov, B. L. Bulatov STABILITY OF TOWER CRANES WITH VARIABLE OPERATING CONDITIONS

Предложена постановка задачи по расчету устойчивости против опрокидывания башенных кранов при переменных эксплуатационных состояниях. Актуальность задачи обоснована тем, что в настоящее время мало внимания уделяется динамическим нагрузкам в ходе работы башенного крана, оказывающим большое влияние на его устойчивость; отсутствуют рекомендации, которые позволяют обоснованно выбирать сочетания нагрузок, вызывающие в элементах крана расчетные усилия с учетом переменных эксплуатационных состояний.

Ключевые слова: устойчивость, нагрузки, башенный кран, динамика, эксплуатационные состояния.

The task formulation on the problem of calculation of stability of tower cranes under variable operating conditions is offered. The urgency of the task is conditioned by the fact that nowadays little attention is paid to the dynamic loads during the operation of the tower crane, which has a great influence on its stability. There are no recommendations which help chose the combinations of loads causing calculation efforts in the crane’s elements taking into account variable operating conditions.

Key words: stability, load, tower crane, dynamics, performance status.

По степени аварийности башенные краны не имеют себе равных. Падения кранов происходят повсеместно и практически независимо от уровня выполнения правил техники безопасности. Башенный кран, по сравнению с другими видами подъемных механизмов, наиболее подвержен обрушению. Это объясняется особенностями конструкции башенного крана -при большой высоте он имеет незначительные колею и базу (как правило, не более 6 м) и поэтому обладает высокой чувствительностью к условиям эксплуатации, в частности к перегрузу, разнице в высоте ниток кранового рельсового пути и внешней нагрузке.

Статистические данные по инцидентам, возникающим при эксплуатации грузоподъемных кранов, свидетельствуют о значительном количестве аварийных случаев (40 %), которые связаны с падением башенных кранов. Наибольшую опасность представляют аварии, связанные с потерей устойчивости башенного крана и его опрокидыванием (рис.), иногда с предшествующим разрушением элементов несущих металлоконструкций [1].

Падение башенного крана из-за просадки его опорных элементов

В России количество подъемных кранов, отработавших нормативный срок службы, составляет более 80 %, в связи с чем высока вероятность аварийных случаев, выхода из строя отдельных механизмов и узлов, а также потери устойчивости положения в пространстве крана в целом.

Нормативными обычно считают динамические нагрузки, возникающие при подъеме и опускании номинального груза при нормальных условиях разгона и торможения механизмов, отклонение груза от вертикали при повороте стрелы крана и изменении вылета. В то же время башенным краном одновременно могут производиться несколько рабочих движений: изменение вылета, подъём стрелы, поворот и передвижение крана. Изменение вылета стрелы, в зависимости от её типа, может производиться либо подъёмом или опусканием стрелы, либо перемещением грузовой тележки вдоль стрелы. Дополнительные динамические нагрузки создают механизмы крана при пуске и торможении, канатно-блочная система.

В нормах расчета [2] содержатся весьма простые критерии устойчивости башенного крана, основанные на предположении, что все внешние силы, опрокидывающие кран, действуют в одном направлении и поэтому могут быть суммированы. Согласно требованиям нормативных документов [2], устойчивость крана определяется для более неблагоприятных условий его работы. Грузовую устойчивость крана проверяют как для максимального, так и для минимального вылетов. Собственную устойчивость кранов с маневровым изменением вылета контролируют при положении стрелы на максимальном вылете. Устойчивость кранов с установочным изменением вылета устанавливают для положения, когда стрела поднята до минимального вылета.

Эти допущения для высоких башенных кранов, размеры оснований которых малы, приводят к завышению параметров прочности и устойчивости применительно к одному либо ограниченному количеству эксплуатационных состояний. При этом остаются неизученными параметры прочности для других сочетаний эксплуатационных состояний и внешних воздействий. ГОСТ 13994-81 не дает рекомендаций по расчету устойчивости в различных эксплуатационных состояниях, таких как поворот башни крана, изменение вылета, подъем (опускание) груза либо совмещение рабочих операций.

Динамические нагрузки, появляющиеся во время работы башенного крана, отличаются большим разнообразием. В настоящее время отсутствуют рекомендации, которые позволили бы обоснованно выбрать сочетания нагрузок, вызывающие в элементах крана расчетные усилия с учетом переменных эксплуатационных состояний.

Вместе с тем в ряде работ, например [3, 4], установлено, что динамические нагрузки при передвижении башенного крана или его грузовой тележки всегда значительно меньше, чем при повороте. Учет их одновременного действия не приводит к увеличению расчетной нагрузки, поэтому, выбирая сочетания нагрузок, рекомендуется учитывать наибольшую из них, а именно динамическую нагрузку, создаваемую механизмом поворота.

Нагрузки могут иметь постоянное значение достаточно длительное время (собственный вес, вес груза) и могут быстро меняться по величине (эксплуатационные динамические нагрузки, ветер). Кратковременные импульсы динамических нагрузок могут быть менее опасными для устойчивости против опрокидывания. В [3] отмечено также, что сочетание нагрузок, учитываемых при расчете устойчивости, не включает эксплуатационные динамические нагрузки.

Различные нагрузки могут действовать на кран одновременно. Некоторые из них можно считать независимыми (например, вес груза и ветер) и вероятность их совпадения определять статистическими методами, другие (например, вес груза и динамика подъема) функционально связаны.

Исследованиями [4] было установлено, что динамические нагрузки при одновременном пуске (торможении) двух механизмов горизонтальных движений меньше суммы тех же нагрузок при раздельном пуске (торможении).

В итоге сложившийся в настоящее время подход предусматривает формирование не более трех расчетных сочетаний нагрузок и положений башенного крана, из которых для целей обеспечения прочности и устойчивости положения в пространстве решающим выбирается только одно.

Вместе с тем влияние других эксплуатационных состояний и сочетаний нагрузок на прочность и устойчивость башенного крана остается малоизученным. Их вероятность может быть оценена на основе статистических данных. Достаточно частым является случай одновременного подъема груза и изменение вылета с помощью грузовой тележки. Одновременное действие трех механизмов при эксплуатации башенного крана имеет ту же вероятность возникновения. Могут

возникнуть нагрузки, связанные с совпадением переходных процессов и направлений действия динамических сил. Нерассмотренными остаются вопросы совместного действия статических и динамических нагрузок и ограничения амплитуды колебаний конструкций пределами, которые исключают возможность вредного влияния этих колебаний.

Динамические нагрузки, возникающие при движении крана и выполнении рабочих операций, могут приводить к резкому изменению нагрузок на металлоконструкцию крана, изменению нагрузок на опоры и крановые рельсовые пути башенного крана. Источником больших динамических нагрузок могут быть толчки и удары, достигающие большой силы при больших зазорах в передачах механизмов, неисправных стыках рельсовых путей, износе опорно-поворотных устройств и т. п.

Проектирование башенных кранов невозможно без учета динамических воздействий, таких как кратковременное динамическое воздействие, возникающее при пуске-торможении механизмов, динамические нагрузки внешнего характера, например воздействия, вызванные пульсацией ветра.

Эти нагрузки вызывают в элементах крана напряжения, меняющиеся в широких пределах, и зачастую превосходят напряжения, возникающие при паспортных нагрузках. Поэтому метод обоснования прочности и устойчивости башенных кранов, основанный на использовании динамического коэффициента и наиболее неблагоприятном сочетании нагрузок, не отражает действительных условий его работы.

Влияние указанных факторов на устойчивость башенного крана можно определить путем вычисления изменения реакции в опорах башенного крана при действии сочетания нагрузок как определяемых ГОСТ 13994-81 в случае статически приложенного нагружения, так и с учетом различных эксплуатационных состояний в случае использования динамического анализа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булатов Б. Л., Синельщиков А. В. Расчет устойчивости башенных кранов на основе определения реакции в опорах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2011. - № 2 (52). - С. 27-30.

2. ГОСТ 13994-81. Краны башенные строительные. Нормы расчета.

3. Башенные краны / Л. А. Невзоров, А. А. Зарецкий, Л. М. Волин, В. Л. Лившиц, И. М. Смородин-ский. - М.: Машиностроение, 1979. - 296 с.

4. Зарецкий А. А. Исследование колебаний строительных башенных кранов с поворотной колонной при работе механизмов подъема: дис. ... канд. техн. наук. - М., 1962. - 171 с.

REFERENCES

1. Bulatov B. L., Sinel'shchikov A. V. Raschet ustoichivosti bashennykh kranov na osnove opredeleniia reaktsii v oporakh [Calculation of stability of tower cranes on the basis of determination of the bearing behavior]. Vestnik Astrakhanskogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, no. 2 (52), pp. 27-30.

2. GOST 13994-81. Krany bashennye stroitel'nye. Normy rascheta [State Standard 13994-81. Building tower cranes. Codes of design].

3. Nevzorov L. A., Zaretskii A. A., Volin L. M., Livshits V. L., Smorodinskii. I. M. Bashennye krany [Tower cranes]. Moskow, Mashinostroenie, Publ., 1979. 296 p.

4. Zaretskii A. A. Issledovanie kolebanii stroitel'nykh bashennykh kranov s povorotnoi kolonnoi pri rabote mekhanizmov pod"ema: dis. . kand. tekhn. nauk [Study of vibrations of building tower cranes with rotating post at the lifting mechanisms work. Cand. tech. sci. diss.]. Moskow, 1962. 171 p.

Статья поступила в редакцию 31.10.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Синельщиков Алексей Владимирович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; зав. кафедрой «Подъемно-транспортные машины, производственная логистика и механика машин»; laex@bk.ru.

Sinelshchikov Alexey Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Head of the Department "Lifting-and-Shifting Machines, Industrial Logistics and Machinery Mechanics"; laex@bk.ru.

Булатов Булат Лукпанович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Подъемно-транспортные машины, производственная логистика и механика машин»; bulkama@mail.ru.

Bulatov Bulat Lukpanovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Lifting-and-Shifting Machines, Industrial Logistics and Machinery Mechanics"; bulkama@mail.ru.