Устойчивость грузоподъемных кранов

Нормами Госгортехнадзора предусматривается проверка грузовой устойчивости крана против опрокидывания в сторону груза и собственной устойчивости – в сторону противовеса (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема к проверке устойчивости крана:

а – грузовой; б – собственной

Коэффициент грузовой устойчивости

. (2.1)

Коэффициент собственной устойчивости

, (2.2)

где М₁ – момент, удерживающий кран от опрокидывания в сторону груза;

(2.3)

– сумма всех опрокидывающих моментов от дополнительных нагрузок (ветровых, инерционных);

– грузовой опрокидывающий момент;

(2.4)

М₂ – момент, удерживающий кран от опрокидывания в сторону противовеса;

(2.5)

– ветровой опрокидывающий момент при нерабочем состоянии крана;

. (2.6)

Опрокидывающие моменты от дополнительных нагрузок

(2.7)

где – момент от вертикальной инерционной силы при подъеме груза;

(2.8)

– момент от центробежной силы груза при вращении крана;

; (2.9)

где – ветровой опрокидывающий момент от силы ветра, действующей на кран;

(2.10)

– ветровой опрокидывающий момент от силы ветра, действующей на груз;

(2.11)

где

Кроме перечисленных моментов, в необходимых случаях учитывают дополнительные моменты, возникающие при проверке устойчивости крана, перемещающегося с грузом; в случае изменения вылета крюка; при проверке грузовой устойчивости крана со стрелой под углом 45° к ребру опрокидывания.

В вышерассмотренных формулах:

G – вес крана, Н;

с – расстояние от центра тяжести крана до оси его вращения, м;

ho, fy – расстояние от центра тяжести крана до плоскости, проходящей через точки опорного контура, м;

а – угол наклона пути (а = 3° при работе кранов на автомобильном ходу без опорных домкратов и а = 1° 30' при работе кранов с опорными домкратами);

b – расстояние от оси вращения крана до ребра опрокидывания, м;

Q – предельный вес груза, Н;

v – скорость подъема груза, м/с;

t – время пуска и торможения, с;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

а – расстояние от оси вращения крана до центра тяжести подвешенного предельного рабочего груза для крана, установленного на горизонтальной плоскости, м;

Р_в1 – сила ветра, действующая на подветренную площадь крана, параллельная плоскости, на которой установлен кран, Н;

– расстояние от линии действия силы ветра до ребра опрокидывания, м;

– сила ветра, действующая на подветренную площадь подвешенного рабочего груза, Н;

h – расстояние от головки стрелы до плоскости, проходящей через точки опорного контура, м;

Н – расстояние от головки стрелы до центра тяжести подвешенного груза в его наинизшем над уровнем земли положении;

n – частота вращения поворотной части крана, мин^-1;

– сила ветра, действующая на подветренную площадь крана при его нерабочем состоянии.

Без учета дополнительных нагрузок и влияния уклона пути (опорной поверхности) коэффициент грузовой устойчивости

. (2.12)

Ветровые нагрузки, действующие на кран, определяют по ГОСТ 1451-77 в зависимости от средней скорости ветра. Территория России и СНГ разбита на семь районов с различными предельными скоростями воздуха на высоте 10 м над уровнем земли (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Предельная скорость воздуха

Ветровая нагрузка

, (2.13)

где – давление ветра, Па;

– коэффициент аэродинамического сопротивления ( = 1,4 – для ферм, стрел, башен, мостов; = 1,2 – для вантов, канатов, противовесов, кабин);

– коэффициент решетчатости ( = 1 – для сплошных поверхностей, = 0,3–0,4 – для решетчатых конструкций;

F – подветренная площадь, м².

При проверке грузовой устойчивости строительных кранов принимают = 250 Па. При проверке собственной устойчивости учитывают ветровой напор ураганного ветра в зависимости от места установки крана. Для центральных районов можно принимать = 700 Па для кранов высотой до 20 м. На каждый последующий метр высоты крана давление ветра увеличивают на 10 Па.

При нескольких подветренных поверхностях (башни кранов, фермы мостовых кранов) подветренная площадь принимается как сумма подветренных площадей всех параллельно расположенных ферм.

Проверка устойчивости башенных кранов включает расчет грузовой устойчивости как для максимального, так и для минимального вылета

, (2.14)

где – коэффициент перегрузки, учитывающий режим работы, грузоподъемность и область применения;

– грузовой опрокидывающий момент;

_– момент относительно ребра опрокидывания от нормативной ветровой нагрузки рабочего состояния, действующей на кран и груз;

– момент относительно ребра опрокидывания от динамических нагрузок;

– момент, удерживающий кран от опрокидывания в сторону груза.

Грузовую устойчивость крана проверяют не только расчетом, но и испытанием крана.

Собственную устойчивость башенного крана проверяют для рабочего и нерабочего состояния. При рабочем состоянии кран стоит на уклоне с максимально поднятой стрелой без груза. На кран действуют ветровые нагрузки рабочего состояния, стремящиеся опрокинуть кран под уклон в сторону противовеса, а также динамические нагрузки от внезапного снятия груза с крюка. При этом считают, что на стрелу крана действует нагрузка, направленная вверх по оси подъемного каната, и ветер рабочего состояния способствует опрокидыванию крана.

. (2.15)

. (2.16)

При проверке собственной устойчивости нерабочего состояния (ветер и наклон действуют в опасную сторону)

, (2.17)

где – момент относительно ребра опрокидывания от ветровой нагрузки нерабочего состояния;

– динамическая нагрузка от пульсации ветра.

Устойчивость башенного крана также проверяют на отдельных этапах монтажа. При подъеме башни из ее нижнего положения в момент отрыва от земли

, (2.18)

где – коэффициент, допускающий перегрузки;

– опрокидывающий момент от поднимаемых частей крана;

– удерживающий момент от неподвижных частей крана.

При поднятой башне и неполностью смонтированном кране

. (2.19)

Пример 2.3. Определить коэффициенты грузовой и собственной устойчивости башенного крана при действии на кран дополнительных нагрузок и влияния уклона пути. Вес основных элементов крана в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Вес основных элементов крана

Общий вес крана G_K = 297 кН; грузоподъемность при горизонтальной и наклонной стреле Q = 1 и 2 т; вес крюковой подвески q = 700 Н; высота подъема груза при горизонтальной стреле 21 м и при наклонной 35 м, вылеты соответственно 20 и 10 м, колея крана 3,5 м. Угол наклона 2°. Скорость подъема груза v = 0,5 м/с, частота вращения поворотной части крана n = 0,6 мин

Решение. Расстояние от центра тяжести крана до ребра опрокидывания (рис. 2.6)

;

Значения с и находят по формулам

,

.

При горизонтальной стреле

Рис. 2.6. Проверка устойчивости башенного крана:

а – грузовой; б – собственной

При наклонной стреле

Момент, удерживающий кран от опрокидывания относительно ребра А

при горизонтальной стреле

при наклонной стреле

Опрокидывающий момент от действия инерционных сил в период неустановившегося движения при времени запуска t = 1 с

при горизонтальной стреле

при наклонной стреле

Опрокидывающий момент от центробежной силы при вращении крана

Считаем, что груз на 1 м приподнят над головкой рельса;

при горизонтальной стреле

при наклонной стреле

Опрокидывающий момент от ветра, действующего на кран,

где F – подветренная площадь крана.

При горизонтальной стреле

При наклонной стреле, выступающей над краном на 35 – 21 = 14 м и ширине стрелы 0,7 м

Опрокидывающий момент от ветра, действующего на груз (нагрузку, действующую на груз, считают приложенной к головке стрелы)

Подветренная площадь груза

При горизонтальной стреле ;

При наклонной стреле

Грузовой опрокидывающий момент

При горизонтальной стреле

При наклонной стреле

Коэффициент грузовой устойчивости:

при горизонтальной стреле

при наклонной стреле

Коэффициент собственной устойчивости

Момент, удерживающий кран от опрокидывания в сторону противовеса,

Ветровой опрокидывающий момент при нерабочем состоянии крана

Опрокидывающий момент, действующий на часть крана, высотой до 20 м

Ветровое давление на головке стрелы

Среднее значение давления на высоте 28 м составляет

Дополнительный опрокидывающий момент, действующий на стрелу,

Общий ветровой опрокидывающий момент

Коэффициент устойчивости

Кран устойчив.

Изменяя массу балласта на тележке и общую массу крана, можно получить значения коэффициентов устойчивости в пределах 1,15–1,25. Вес отдельных элементов и координаты центров тяжести принимают по данным рассмотренного примера.