Расчет устойчивости башенных кранов на основе определения реакции в опорах

УДК 621.873.252:624.046

Б. Л. Булатов, А. В. Синельщиков

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ БАШЕННЫХ КРАНОВ НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИИ В ОПОРАХ

B. L. Bulatov, A. V. Sinelshchikov

CALCULATION OF TOWER CRANE STABILITY, BASED ON A REACTION IN SUPPORTS

Обоснована актуальность постановка задачи по расчету устойчивости против опрокидывания башенных кранов в различных эксплуатационных состояниях на основании вычисления реакции в опорах. Изложена постановка задачи. Рассмотрено несколько вариантов расчета с использованием упрощенной модели башенного крана. Решение указанной задачи является частью магистерской диссертационной работы, выполняемой на кафедре «Подъемнотранспортные машины, производственная логистика и механика машин» Астраханского государственного технического университета.

Ключевые слова: башенный кран, устойчивость, реакция в опорах, совершенствование методов расчета, нормативный расчет, опрокидывающий момент.

The urgency of the problem statement on the calculation of the stability against overturning tower cranes in various operational states based on the calculation of the reaction in supports is substantiated.

The problem statement is presented. Several variants of calculation using a simplified model of a tower crane are considered. The solution of this problem is a part of the master thesis carried out at the department «Lifting-and-shifting machines, industrial logistics and machinery mechanics» in Astrakhan State Technical University.

Key words: tower crane, stability, reaction in supports, improvement of methods of calculation, normative calculation, overturning moment.

Аварии башенных кранов составляют 40 % общего количества аварий стреловых грузоподъемных кранов. Наиболее часто (30 % случаев) причиной аварий башенных кранов является нарушения условий безопасной эксплуатации, связанных с неисправностью ограничителей грузоподъемности (О1П) и перегрузкой башенного крана, неудовлетворительным состоянием крановых путей и проведением работ при скорости ветра, превышающей предельные значения. Наибольшую опасность представляют аварии, связанные с потерей устойчивости башенного крана и его опрокидыванием (рис. 1), иногда с предшествующим разрушением элементов несущих металлоконструкций.

а б

Рис. 1. Аварии башенных кранов в результате: а - ненормативного состояния крановых рельсовых путей; б - перегрузки башенного крана

Устойчивостью крана против опрокидывания называется способность крана противодействовать опрокидывающим его моментам от ветровой нагрузки, массы поднимаемого груза, динамических нагрузок и уклона. К силовым факторам, создающим опрокидывающий момент, относятся: масса консольно-расположенных частей (стрелы, противовеса и стрелового расчала), ветровая нагрузка, масса поднимаемого груза, динамические нагрузки, возникающие при резком пуске и торможении механизмов и при движении крана по неровному пути и др.

Согласно требованиям нормативных документов [1], устойчивость крана определяется для более неблагоприятных условий его работы. Грузовую устойчивость крана проверяют как для максимального, так и для минимального вылета. 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.

В соответствии с ГОСТ 13994-81 проверяется устойчивость:

где Mо, М^р - опрокидывающие моменты относительно ребра опрокидывания соответственно

от массы груза, динамических нагрузок и от ветровой нагрузки рабочего состояния (рис. 2); Муд - удерживающий момент относительно ребра опрокидывания от силы тяжести крана; О -нормативная составляющая массы груза; Ъд - расстояние от точки подвеса грузового полиспаста до вертикальной плоскости, проходящей через ребро опрокидывания.

Критерием выполнения условия устойчивости является соотношение

где к - коэффициент перегрузки (учитывающий отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону); т0 - коэффициент условий работы.

В рассмотрение вводят также коэффициент устойчивости К, который представляет собой отношение удерживающего момента к опрокидывающему:

- грузовая:

Муд ^оЪК ,

М0 = 0нЪд + М £,;

собственная:

- при внезапном снятии нагрузки:

М0 = М £р + о,зднъе,

к  М о £ т0  М уд ,

К = Муд / Мо .

Ребро опрокидыОания

Рис. 2. Схема действия нагрузок при определении устойчивости согласно ГОСТ 13994-81

Опрокидывающий момент от массы поднимаемого стреловым краном груза тем больше, чем больше масса груза и вылет крюка от ребра опрокидывания. Под ребром опрокидывания понимается грань опорного контура, относительно которой силы стремятся опрокинуть кран (рис. 2), для рельсовых кранов ребро опрокидывания принимается по центрам ходовых тележек. При определении устойчивости крана в рассмотрение вводят также следующие величины: G0 - нормативная составляющая массы крана; G - масса противовеса; Жр - ветровая нагрузка; Ль Л2, Л3, Л4 - реакции в опорах; 0 - масса груза; тстр - масса стрелы; Ъ - расстояние от центра масс частей крана до вертикальной плоскости, проходящей через ребро опрокидывания; Муд - удерживающий момент относительно ребра опрокидывания от силы тяжести крана.

Следует отметить, что 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, возникающие при движении крана при выполнении рабочих операций, могут приводить к резкому изменению нагрузок на металлоконструкцию крана, изменению нагрузок на опоры и рельсовые пути башенного крана. Влияние указанных факторов на устойчивость можно определить путем вычисления изменения реакции в опорах башенного крана при действии сочетания нагрузок, определяемых ГОСТ 13994-81, а также с учетом различных эксплуатационных состояний.

С целью сравнения результатов расчета на устойчивость различными методами нами рассмотрена упрощенная расчетная модель (рис. 3), для которой проведены расчеты на устойчивость тремя методами.

Рис. 3. Упрощенная модель башенного крана: О - масса противовеса; Муд - удерживающий момент относительно ребра опрокидывания от силы тяжести крана; Я1, Я2, Я3, Я4 - реакции в опорах;

тстр - масса стрелы; Q - масса груза

Для исходных данных О = 53 Н, Q = 7 Н, распределенная нагрузка от веса стрелы дстр = 11 Н/м, распределенная нагрузка от веса подстрелка дподстр = 1,4 Н/м расчет упрощенной расчетной модели по ГОСТ 13994-81 при отсутствии уклона и ветровой нагрузки дает значения Муд = 28,8 Н • м > М0 = 13,06 Н • м, что соответствует нормативному критерию устойчивости

(5) при к = 1 и т0 = 1. При этом коэффициент устойчивости (6) К = 2,2.

Мы предлагаем проводить расчет коэффициента устойчивости с использованием возникающих в опорах реакций по формуле

К = 1 + Я“1/ Я““,

где Я“111, Я“111 - соответственно реакции, возникающие в опорах на ребре опрокидывания

(Я“11 = т1п(Я1, Я2), рис. 3), и опорах, противоположных ребру опрокидывания

(Я“1п = т1п(Я3, Я4), рис. 3).

С целью проведения сравнительного анализа, для упрощенной расчетной модели определены реакции в опорах исходя из соотношений строительной механики [3], которые составили

Я1 = Я2 = Я“1п = 62,8Н и Я3 = Я4 = Я2т1п = 62,8Н. Коэффициент устойчивости, вычисленный по (7), К = 2.

Реакции в опорах, найденные с использованием метода конечных элементов, составили Я = Я2 = Я“1п = 28,5 Н и Я3 = Я4 = Я2т1п = 23,43 Н . Коэффициент устойчивости, вычисленный по (7), К = 1,8.

Таким образом, все три способа дали сопоставимый результат. Кроме этого, расчет реакций опор с использования метода конечных элементов позволяет исследовать устойчивость конструкции башенных кранов для различных значений поднимаемого груза, а также ориентации стрелы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Синельщиков А. В., Булатов Б. Л. Совершенствование методов расчета устойчивости башенных кранов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2010. - № 2 (50). - С. 36-38.

3. Дарков А. В., Шапошников Н. Н. Строительная механика: учеб. для строит. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986. - 607 с.

Статья поступила в редакцию 2.11.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

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

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

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

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