Расчетные случаи нагружения и комбинации нагрузок

В расчетной практике все разнообразные возможные сочетания нагрузок, действующих на ПТМ, подразделяют на 3 основных расчетных случая нагружения. Под сочетанием нагрузок рабочего состояния понимают все определенные комбинации нагрузок, возможные при работе ПТМ с грузом. Нерабочее состояние характерно тем, что по условию использования или по различным ограничениям ПТМ не работает, но при этом должна быть обеспечена его сохранность для последующей эксплуатации.

Нагрузки рабочего состояния подразделяются на нормальные и максимальные.

К нормальным нагрузкам рабочего состояния относятся такие нагрузки, которые действуют на ПТМ при ее нормальной эксплуатации, т.е. статические - вес узлов машины и эквивалентный вес поднимаемого груза и нормальные динамические: нормальный ветер рабочего состояния, нагрузки от раскачивания груза на канатах или других элементов ПТМ в различных плоскостях с отклонением на нормальные углы, силы инерции, вызванные плавными пусками и торможениями. Эквивалентный вес груза – это некий осредненный за срок службы ПТМ вес всех поднимаемых грузов, который создает то же количество усталостных повреждений в элементах ПТМ, что и все фактически поднимаемые грузы. Силы инерции при плавных пусках и торможениях определяются для скорости, составляющей 50% от номинальной скорости выполнения рабочего движения, либо учитываются уменьшенными динамическими коэффициентами, определяемыми по зависимости

, 18)

где – максимальный динамический коэффициент.

Максимальные нагрузки образованы сочетанием статических нагрузок - от собственного веса узлов машины и номинального веса груза и дополнительных - максимальных динамических нагрузок, возникающих при экстренном торможении, максимальной ветровой нагрузке, отклонении груза и других элементов ПТМ от вертикального (равновесного) положения на максимально возможные углы и т. д. Максимальные нагрузки могут быть ограничены «естественными» или специально встроенными предохранительными устройствами. Так, например, горизонтальные нагрузки на ПТМ ограничены силами сцепления (трения) между колесами машины и опорной поверхностью. При превышении горизонтальных нагрузок над последними возникает пробуксовка (проскальзывание) колес по опорной поверхности. Или же, горизонтальные нагрузки, возникающие при повороте, ограничиваются муфтой предельного момента, встроенной в механизм поворота. При превышении горизонтальными нагрузками предельного момента происходит растормаживание муфты.

По существующей методике расчет и проектирование ПТМ производится по трем расчетным случаям сочетания нагрузок.

Первый случай (I) - нормальные нагрузки рабочего состояния, возникающие при работе в нормальных условиях эксплуатации и соответствующих эквивалентных положениях (наиболее частых) тележки или стрелы. По ним проводится расчет на сопротивление усталости, долговечность, износ и нагрев, а также компоновочные расчеты приводов.

Второй случай (II) - максимальные нагрузки рабочего состояния, возникающие при работе в наиболее тяжелых условиях эксплуатации с полным грузом. При этом учитывают наиболее неблагоприятное для данного элемента ГПМ положение тележки или стрелы. По ним проводятся расчеты на прочность и устойчивость, а также проверочные расчеты приводов.

Третий случай (III) – максимальные нагрузки нерабочего состояния, возникающие при отсутствии груза и при наличии максимального ветра нерабочего состояния. По ним проводятся расчеты на устойчивость.

Для каждого рабочего случая существуют комбинации (сочетания) нагрузок, возможные для этого типа ПТМ и типа расчетов: расчет металлоконструкции на прочность, устойчивость и сопротивление усталости или расчет устойчивости ПТМ. Наиболее общими являются следующие сочетания нагрузок:

а) ПТМ неподвижна (работает только подъемный механизм), производится подъем (отрыв) груза (элемента) от основания или торможение его при спуске;

б) ПТМ с грузом находится в движении (передвижение ПТМ, тележки, изменение вылета, вращение), причем происходит торможение или разгон одного из механизмов. Пример комбинаций нагрузок для расчета металлоконструкции мостового крана [1] приведен в Таблица 2.

В Таблица 2 учтены следующие комбинации нагрузок: а – подъем груза с «подхватом» (выбор слабины каната и рывок груза с основания); b - торможение (разгон) передвижения крана; c - торможение (разгон) передвижения тележки.

Таблица 2

Расчетные нагрузки мостовых кранов

для расчета элементов металлоконструкции

№	Комбинация нагрузок
Нагрузки	Ia	Ib	IIa	IIb	IIc
1.	Сила тяжести элементов моста с учетом коэффициента толчков
2.	Сила тяжести тележки с учетом коэффициента толчков
3.	Сила тяжести груза с ГЗУ с учетом динамических коэффициентов и коэффициентов толчков
4.	Горизонтальные силы инерции при торможении механизма передвижения крана или тележки	-		-
5.	Отклонение груза на канатах вдоль моста на угол и поперек моста на угол	-		-

В таблице обозначены и – коэффициенты толчков на стыках рельсов для II случай (полный) и для I случая (уменьшенный), соответственно. Как правило, значения коэффициентов толчков принимаются в зависимости от скорости передвижения крана.

Другой способ учета нагрузок предложен в [6]. Согласно [6] эксплуатационные нагрузки по частоте возникновения в процессе использования ПТМ делятся на несколько категорий: регулярные, нерегулярные, исключительные и особые. Конкретные виды нагрузок, относящихся к этим категориям, зависят от типа ПТМ и условий ее эксплуатации:

а) Регулярные нагрузки возникают во время нормальной работы в каждом цикле. Они должны учитываться при расчетах ПТМ и ее элементов по всем критериям работоспособности и долговечности. Регулярные нагрузки обусловлены гравитацией, а также действием ускорений (замедлений), создаваемых механизмами при перемещении масс ПТМ и груза. Кроме того, регулярными могут быть технологические воздействия на элементы специальных ПТМ. К этой же категории могут относиться регулярные кинематические воздействия (смещения, перекосы).

б) Нерегулярные нагрузки возникают реже. К ним относятся нагрузки от ветра рабочего состояния, от снега и льда, тепловых воздействий и перекосов. Этими нагрузками обычно пренебрегают при анализе долговечности элементов металлических конструкций.

в) Исключительные нагрузки могут возникать несколько раз в течение срока службы ПТМ. Исключительными являются нагрузки, возникающие при испытаниях ПТМ, ветре нерабочего состояния, в аварийных и других ситуациях. Они не учитываются при подтверждении долговечности изделия.

г) Особые нагрузки возникают при монтаже, демонтаже или транспортировке, т.е. в ситуациях, когда ПТМ не находится в рабочем положении.

Все комбинации нагрузок объединены в 3 группы [7]. Группа комбинаций нагрузок А содержит регулярные нагрузки; группа комбинаций В - регулярные нагрузки, объединенные с нерегулярными; группа С содержит комбинации, представляющие собой совокупности регулярных и нерегулярных нагрузок, объединенных с различными видами исключительных или особых нагрузок.

При вычислении напряжений в каком-либо элементе машины по указанным комбинациям нагрузок направление действия реверсивных нагрузок (инерционных сил, давления ветра и пр.), а также положение грузоподъемного устройства и расположение подвижных нагрузок выбираются так, чтобы в рассчитываемом элементе конструкции создавалось наиболее неблагоприятное напряженное состояние.

Таблица 3

Основные комбинации нагрузок

Для выполнения расчетов ПТМ или его элементов необходимо конкретизировать комбинации нагрузок применительно к проектируемому типу машины и условиям эксплуатации. Это значит, что на основании общего описания комбинаций должен быть установлен конкретный набор нагрузок и воздействий, учитываемых в каждой комбинации (перечень механизмов, создающих динамические нагрузки, характер кинематических воздействий, смещений, уклонов и пр.). По полученному перечню воздействий вычисляются номинальные значения всех нагрузок для каждой комбинации. Эти данные являются основой для дальнейшего вычисления расчетных нагрузок.