Анализ устойчивости свободностоящих кранов при воздействии ненормируемых ветровых нагружений

Представленные математические модели на основе теории возможности могут помочь специалистам в решении задач оптимального определения, прогнозирования, восстановления функциональных зависимостей, распознавания, оценки риска различных технических систем.

Список литературы

1. Дюбуа, Прад А. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.

2. Ю.ПЛытьев. Возможность. Элементы теории и применения. М.: Эдиториал, 2000.

3. Уткин В.С. Значение уровня риска в теории возможностей //Строительные материмы. 2004. --№8. с. 35.

A. Kuzminov, V. Utkin, A. Kozhevnikov

Safety evaluation in lifting machine based on theory of possibility and modeling

The article states the method of estimation of remaining resource of lifting machine metal constructions based on the theory of possibility. In the article a new approach is introduced into estimation of firmness of technical device constructions with intermediate expert evaluations available.

Получено 07.04.09

УДК 621.873.35: 629.11.02

В.А. Обыденов, асп., (4872) 33-22-88,

obidenov@yandex.ru

АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ СВОБОДНОСТОЯЩИХ КРАНОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НЕНОРМИРУЕМЫХ ВЕТРОВЫХ НАГРУЖЕНИЙ

Рассмотрены случаи влияния ветрового давления на металлоконструкцию крана в процессе выполнения рабочих операций с изменяющимся коэффщяентом запаса устойчивости, зависящего от заданных параметров.

Ключевые слова: стреловые краны, устойчивость, ветровая нагрузка.

При разработке свободностоящих грузоподъемных машин (ГПМ) большое внимание уделяется их устойчивости. Для определения значений характеризующих степень устойчивости крана, во внимание принимают как статические и динамические нагрузки от действия груза и собственного веса металлоконструкции, так и ненормированные нагружения возникающие при изменении погодных условий, нарушении опорного контура и т.д. Так как свободно стоящие краны эксплуатируются вне зданий, то они должны обеспечивать безопасную работу в любую погод, в

том числе и в ветреную. Предельное давление ветра, при котором возможна безопасная работа крана, определяет ветровую нагрузку в рабочем состоянии. В нерабочем состоянии кран рассчитывают на давление ветра при шторме, буре или урагане [ 1].

Как правило для того что бы повысить устойчивость крана его утяжеляют изменяя конструкцию или используя дополнительные балласты. В тоже время, повыша массу конструкции, увеличивается стоимость изготовления, а также время, требуемое для монтажа и демонтажа крана. С другой стороны, уменьша массу конструкции, увеличивается вероятность опрокидывания, но снижается стоимость изготовления, транспортировки и монтажа. Поэтому при учете ветровых нагрузок необходимо выбрать усредненное значение массы конструкции и запаса устойчивости в зависимости от района установки [2].

Благодаря использованию современных технологий в области проектирования на Российском рынке, появились принципиаьно новые конструкции легких башенных кранов как отечественных, так и зарубежных производителей. Отличительной особенностью данной линейки кранов является возможность проведения монтажа без привлечене дополнительных механизированных средств. Это было достигнуто в результате применения новой конструкции в которой основные несущие элементы шарнирно соединены между собой (рис. 1). Основной сферой деятельности кранов данного сегмента это маоэтажное строительство.

а) б)

Рис. 1. Самомонтируемый кран: а) в рабочем положении; б) этапымонтажа

Более точный расчет и выбор оптимаьных сечений несущих конструкций выполненный с привлечением современных методов позволил

уменьшить массу и габаритные рамеры, что в свою очередь положительно сказывается на транспортировке и монтаже крана. При возникновении сильных порывов ветра опасность опрокидывания, несмотря на уменьшение наветренной пощади за счет оптимизации конструкции сохранятся

Это связанно с тем, что основные методы обеспечения устойчивости крана при возникновении сильных порывов ветра в нерабочем состоянии, заключаются в растормаживании башни либо складывании установки.

В рабочем же состоянии управление устойчивостью башенного крана не осуществляется. Как известно, скорость ветра характеризуется пульсацией, что предопределяет динамичность ветрового воздействия и при возникновении сильных порывов ветра в сочетании с манипуляцией грузов близких к номинальным возникает опасность опрокидывание установки [1]. 2

В связи с этим возникает задача, связанна с раработкой систем обеспечивающих безопасную работу легких башенных кранов, в условиях возникновения сильных порывов ветра. Проведем анализ устойчивости при влиянии дав лени ветра на металлоконструкцию в рабочем состоянии на примере отечественного крана КБ-235 выпускаемого на предприятии ООО «Стройтехника».

Ветровую нагрузку рабочего состояния еле дет определять по следующей формуле [3]:

ГС = А1 'Яр "с х •к •п- С1)

где АI - наветренная площадь; яр- динамическое давление ветра; сх - коэффициент ародинамической силы; к - коэффициент возрастания динамического давления по высоте; п - коэффициент перегрузки.

Конструкция данной крановой установки выполнена из нескольких видов профилей в основном квадратного и круглого сечения расположенных на раной высоте относительно опорной поверхности. Поэтому будут отличаться коэффициенты возрастания динамического давления и коэффициенты ародинамической силы. В связи с этим целесообрано выделить расчетные зоны с близкими по значению коэффициентами. В результате первая расчетна зона это верхняя часть конструкции с одинаковым коэффициентом к состояща из стрелы, тележкл, крюковой подвески, стропила и оттяжек. Втора зона это средня часть, состояща из башни стропил башни, гадроцллиндра и оттяжек. Третья зона приходится на основание, поворотную платформу и балласт.

В итоге формула (1) приобретает вид:

^С =

Формула (2) справедлива для направления ветра строго перпендикулярно наветренной поверхности крана. Рассмотрим случаи действия

✓\0 л с 0 о Г\0 л с 0 /Т А 0 п П (Л 0

ветра на металлоконструкцию крана пи иіа = 0 , 15 , 30 , 45 , 60 , 75 , 90 и номинальными грузами 40 кН, 20 кН и 9,5 кН на вылетах 10,8 м, 19,3 м и 35 м соответственно относительно ребра опрокидывания 1-1 (рис. 2.а).

Рис. 2. Расчетная схема при повороте стрелы на угол а: а) вид сверху; б) вид спереди

Скорость ветра и динамическое давление приняты с учетом назначения крана.В этом случае формула (2) приобретает вид:

FC =

где cos a - коэффициент поворота стрельы

Для определения коэффициента запаса устойчивости крана необходимо рассчитать удерживающий и опрокидывающий момента.

к

^опр.

где Муд - удерживающий момент, Мопр - опрокидывающий момент.

Минимально допустимый коэффициент запаса устойчивости определенный правилами безопасности равен 1,15 [1].

В первом случае при ca = 00 удерживающий момент относительно ребра опрокидывания 1-1 будет иметь максимальное значение, т.к. масса

113

от собственного веса и веса поднимаемого груза лежат в области до ребра опрокидывания.

а а а

Муд. =

где <2і,Q2,...,Qi - вес элементов конструкции и груза, а - расстояние до ребра 1-1.

Опрокидывающий момент создается только от действия ветровой нагрузки.

Мопр. =

где /і,/1,13 - плечи от опорной поверхности до центра масс расчетной зоны.

При повороте башни крана груз и часть стрелы перемещаются за ребро опрокидывания создавая тем самым дополнительный опрокидывающий моме нт.

Поэтому опрокидывающий момент для случаев са=15 -90 будет

равен:

Мопр. =

где т - масса стрелы за ребром опрокидывания, /4 - плечо от центра масс

стрелы до ребра опрокидывания, Qi - масса груза, /і - плечо от центра

масс груза до ребра опрокидывания.

Полученные результаты вычислений устойчивости крана для всех случаев при а= 0°-90° относительно ребра опрокидывания 1-1 приведені в табл. 1.

Из полученных данных видно, что максимальный коэффициент запаса устойчивости относительно ребра 1-1 приходится на случай до ребра опрокидывания.

Что касается ребра 2-2 то ситуация строго противоположенна. Опрокидывающий момент при са=00 будет максимаьным, причем момент, создаваемый ветровой нагрузкой в данном случае будет действовать только относительно ребра 1-1.

Ветрова нагрузка для всех вышеперечисленных случаев для ребра 2-2 будет иметь вид:

¥С =((А1- с1- к1) + (А1- с2 - к1) + ...+ ( Аі- сі- кі))- БІпа- Яр' п, Результаты полученные для случаев нагружения относительно ребра 1-1 будут справедливы для ребра 2-2 (см. табл. 1).

Результаты вычислений устойчивости крана

Расчетные случаи ^Мветр., кНм 1і, м Масса груза, кН Муд кНм М^ощі. кНм к

1 2 3 4 5 6 7

* О о О О 11 ? а 11 а 112 - - 885,5 112 7,9

10,8 40 933,5 112 8,3

19,3 20 909,5 112 8,12

35 9,5 886,5 112 7,9

а = 150 а= 750* 108 - - 914,1 179,9 5,1

10,8 40 914,1 207,9 4,4

19,3 20 914,1 236,9 3,85

35 9,5 914,1 186,5 4,9

а = 300 а= 600* 99,5 - 1002,2 364,2 2,75

10,8 40 1002,2 496,2 2,01

19,3 20 1002,2 515,2 1,95

35 9,5 1002,2 378,8 2,65

а = 450 80,5 - 1080 487,3 2,2

10,8 40 1080 708,9 1,52

19,3 20 1080 717,3 1,5

35 9,5 1080 508,9 2,12

а = 60° а= 300* 56,9 - - 1150 560,9 2

10,8 40 1150 852,9 1,34

19,3 20 1150 852,9 1,34

35 9,5 1150 587,7 1,95

а = 750 а= 150* 44,6 - - 1190 601 1,98

10,8 40 1190 935,2 1,27

19,3 20 1190 932,2 1,27

35 9,5 1190 631,3 1,88

а = 900 а = 00* 34,9 - - 1195 607 1,96

10,8 40 1195 955,2 1,25

19,3 20 1195 951,3 1,25

35 9,5 1195 640,5 1,85

Примечание: * - относительно ребра 2-2.

Так как скорость ветра имеет пульсирующий характер и достаточно частую смену направлений за короткий срок, то при резких порывах ветра существует опасность опрокидывания крановой установки в сторону ребра опрокидывания с наименьшим коэффициентом запаса устойчивости. Это связанно с положение стрелы относительно ребра опрокидывания и динамикой ветрового воздействия, как на металлоконструкцию крана, так и на груз с после дующим его раскачиванием.

Поэтому необходимо раработать систему способную предотвратить опрокидывание установки. Как показал проведенный анализ, для этого необходимо учесть множество параметров таких как: положение

стреы относительно опорного контура, направление и скорость ветра, расстояние от ребра опрокидывания до груза, массу груза, коэффициент запаса устойчивости и т.д. Для реализации данной задачи можно разработать сложную математическую модель включающую в себя основные и наиболее важные параметры, но наиболее целесообразно использование методов и принципов искусственного интеллекта на основе нечеткой логики.

Список литературы

1. Вайнсон А А. Подъемно-транспортные машины: учебник для вузов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование». - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 536с.

2. Коган И.Я. Строительные башенные краны. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1964. -379с.

3. Справочник по кранам: В 2т. Т.1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов. Их приводов и металлических конструк-ций/В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др. Под общ. Ред. М.М. Гох-берга. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. - 536 с.

V. Obydenov

The analysis of stability of self-supporting cranes at influence unnormalized wind

Cases of influence of wind pressure on metallconstruction of crane in the course of performance of working operations with the changing factor of a stock of the stability depending on set parametres are considered.

Получено 07.04.09