Оцінювання власної та вантажної стійкості кранів

Втрата стійкості будівельних машин, особливо кранів, призводить, як правило, до серйозних аварій, у результаті яких можуть бути серйозні матеріальні втрати і важкі травми. Вантажопідйомні крани відносяться до машин підвищеної небезпеки., тому до їх стійкості пред'являють спеціальні вимоги. Причинами втрати стійкості можуть бути перевантаження кранів, дія вітрового навантаження, що перевищують розрахункове значення, недопустима осадка (просадка)основи підкранової колії, динамічний вплив (при різкому гальмуванні, або обриву стальних канатів), значний знос несучих металоконструкцій і тд.

Будівельна машина буде знаходитися у стійкому стані, якщо сума моментів усіх діючих на неї сил (зовнішніх і внутрішніх) відносно можливої точки перекидання (точка повороту крана) рівна нулю. Тобто, сума моментів сил, які утримують тіло, і сума моментів, які його перекидають, відносно однієї і тієї ж точки повинні бути рівними.

Для вантажопідйомних кранів такими силами являються маса вантажу який підіймається, вітрове навантаження, сили інерції маси вантажу і машини при її русі, сили від ухилу шляху та інші сили (деформації конструкції машини). Утримуючий або відновлюючий момент складають сили від власної ваги машини і противісу.

Для забезпечення стійкості машин необхідно деяке перевищення моменту утримуючих сил М_уд над моментом перекидаючих сил М_опр, тобто необхідно приймати коефіцієнт стійкості к_у, який нормується у залежності від умов експлуатації кранів:

к_у =å М_уд/å М_уд;

Зазвичай розглядають три схеми роботи крана:

1) коефіцієнт вантажної стійкості на горизонтальному шляху без додаткових навантажень к_у ³1,4;

2) коефіцієнт вантажної стійкості з урахуванням додаткових навантажень к_у ³1,15;

3) коефіцієнт власної стійкості крана к_у ³1,15.

Вантажна стійкість стрілового крана забезпечується при виконанні умови:

к₁М_г £ М_п;

де к₁ – коефіцієнт вантажної стійкості.

М_г – момент, який викликає робочий вантаж відносно ребра перекидання, Н´м;

М_п – момент всіх інших навантажень, які діють на кран відносно того ж ребра з урахуванням найбільшого допустимого ухилу колії, Н´м;

Оцінку стійкості крану виконуємо по ІІІ розрахунковим схемам згідно РД 22-145-85 «Краны строительные самоходные. Нормы расчета устойчивости против опрокидывания».

Самохідні крани

Рис. Розрахункова схема стійкості самохідного крану

з вантажем .

Вантажний момент:

М_г = Q(L_ст-b); Н´м;

де b – відстань від осі повороту до ребра перекидання, м;

Вантажна стійкість крана з урахуванням додаткових навантажень (к₁=1,15).

Утримуючий момент, який виникає від дії основного та додаткового навантаження для другої розрахункової схеми матиме вигляд:

М_п = М'_в - М_у - М_ц.с.- М_и.с. - M_w;

де М'_в – відновлюючий момент від дії власної ваги крана:

М'_в = G (b+c) Cos a, Н´м;

де a - кут нахилу шляху крана, для стрілових кранів працюючих без виносних опор a=4°;

с– відстань від осі повороту крана до його центра ваги, м;

G – вага крана, Н.

М_у – момент, який виникає від дії власної ваги крана при ухилі шляху:

М_у = Gh₁Sina , Н´м;

де h₁ – відстань від центра ваги крана до площини, яка проходить через точки одного контуру, м.

Момент від дії відцентрової сили

М_ц.с. = Qn²hL_ст/(900-n²H), Н´м;

Момент від інерційних сил, які виникають при гальмуванні спускаю чого вантажу:

М_и.с. = Qv(L_ст-b)/(gt), Н´м;

де v – швидкість підняття вантажу; g = 9,8 м/с² – прискорення вільного падіння, м/с;

t – час гальмування, с.

Момент від вітрового навантаження

M_w = W_kr+W_гr₁ , Н´м;

де W_k – вітрове навантаження, яке прикладається на рівні центру ваги крана, Па;

W_г – вітрове навантаження, яке діє на навітряну площу вантажу, Па;

r₁ – відстань від основи до центра прикладення вітрового навантаження, м.

W=g_н^сF=g₀kc, Па

де F - навітряну площина крану або вантажу, м². Площа навітряної поверхні крана F визначають площею F¹ , яка обмежена контурами крана, помноженою на коефіцієнт заповнення елементами решітки а (для сполошного перерізу а=1, для решітчастих конструкцій а=0,3…0,4):

F= F¹´а.

g_н^с – нормативне вітрове навантаження, Н/м²;

g₀ – швидкісний вітровий напір, визначається від району будівництва, Па, для І-го району приймається 270 Па, для ІІ-го району – 350 Па, ІІІ-го району – 450 Па, ІV-го району – 550 Па, V-го району – 700 Па, VІ-го району – 850 Па, VІІ-го району – 1000 Па;

k – коефіцієнт, що враховує зміну швидкісного напору по висоті з урахуванням типу місцевості;

с – аеродинамічний коефіцієнт опору, який для сполошних балок і ферм прямокутного перерізу дорівнює 1,49, для прямокутних кабін і т.д. – 1,2, для конструкцій із труб Æ 170 мм – 0,7 і Æ 140…170 мм – 0,5.

У розрахунках стійкості баштових крані тиск вітру для самохідних стрілових кранів приймається 250 Па, для високих баштових – 150 Па.

Власна стійкість краназабезпечується умовою:

k_y = G[(b-c)Cosa - h₁Sina] / (W_k¹´r);

де W_k¹ – вітрове навантаження на підвітряну площину крана без вантажу, Па.

Баштові крани

Стійкість баштових кранів прийнято визначати для наступних умов експлуатації:

1) при дії вантажу (вантажна стійкість);

2) при відсутності вантажу (власна стійкість);

3) при раптовому знятті навантаження на гаку;

4) при монтажі і демонтажі;

5) при навантаженні (вивантаженню) та при випробуваннях крана.

Відповідно до нормативного документа РД 22-166-86 «Краны башенные строительные. Нормы проектирования», прийнятого замість скасованого ГОСТ 13991-81, при визначенні стійкості баштових кранів коефіцієнт запасу стійкості приймають не постійним, а розраховують з урахуванням галузі застосування, надійності крана, випадкових відхилень навантаження і вітру від нормативних значень, а також залежно від умов робіт. Для зручності визначення стійкості попередньо умову записують у вигляді нерівності

k_п М_опр£ k_у.р М_уд,

де к_п – коефіцієнт перевантаження;

k_y.р – коефіцієнт умов робіт.

Умову стійкості можна записати у вигляді:

k_п (Q_г^нb_г+M_w^н)£ k_у.р Q_г^нb_к ,

де Q_г^н – нормативна складова ваги вантажу, кН;

b_г - відстань від точки підвішування вантажного поліспаста до вертикальної площини, яка проходить через ребро перекидання, м. Умовно приймаємо, що центр ваги крана знаходиться посередині бази одержимо b_г=(L-B/2), м;

b_к - відстань від центра ваги крана до вертикальної площини, яка проходить через ребро перекидання, м.

Q_г^н=т_в´g, кН.

а) б)

Рисунок Схема визначення стійкості баштового крана:

а) ‑ вантажної стійкості; б) ‑ власної стійкості.

M_w^н- момент відносно ребра перекидання від нормативної складової вітрового навантаження, кНм (за ГОСТ 1951-77)

M_w^н= Fh_w, кНм,

де F= q×k×c_x×A×j – статистична складова сили вітру, Н;

q – динамічний тиск вітру;

k – коефіцієнт динамічної зміни вітру від висоти;

c_х –аеродинамічний коефіцієнт опору (для конструкцій із труб Æ140…170 мм – 0,5; діаметром більше 170 мм – 0,7);

А – розрахункова площа конструкцій крана, м² (умовно можна прийняти ширину башти крана рівною (1/4…1/2)×К, висоту – рівною висоті підіймання вантажу).;

h_w – плече прикладання сили вітру відносно ребра перекидання, м.

Коефіцієнт перевантаження k_п знаходиться згідно виразу:

k_п=1+ k₁ k₂

де k₁ – коефіцієнт надійності;

k₂ – коефіцієнт змінності, розраховується згідно залежності:

k₂=(åM²_si)^0,5/M^н_o,

де M^н_o – перекидаючий момент від нормативно складаючи навантажень, кНм.

M_si – перекидаючий момент від середньоквадратичного відхилення випадкової складової і-го виду навантаження, кНм;

k₂=(M²_sg+ M²_swk+ M²_swr+ m²_sg)^0,5/M^н_o, кНм

де M_sg – моментвідносно ребра перекидання від середньоквадратичного відхилення випадкової складової ваги підійманого вантажу, кНм.

M_sg=k₃Q_г^нb_г =

де k₃ – коефіцієнт, який враховує режим роботи крана.

M_swk – момент середньоквадратичного відхилення випадкової складової вітрового навантаження відносно ребра перекидання, кНм;

M_swk = m_п×x×М_w^н, кНм,

де x - коефіцієнт динамічності;

m_n –коефіцієнт пульсації вітру.

M_swг – момент середньоквадратичного відхилення випадкової величини складової вітрового навантаження, яка діє на вантаж, відносно ребра перекидання, кНм:

M_swг=0,1×M_swk, кНм.

m_sg – момент середньоквадратичних відхилень випадкових складових навантажень, які викликані роботою механізму підіймання вантажу та пересування крана відносно ребра перекидання, кНм:

,

де v₁,v₂- номінальні швидкості піднімання вантажу та пересування крана, м/с

Коефіцієнт умов роботи k_у.р визначається добутком двох коефіцієнтів:

k_у.р=k_в.в×k_о.е

де k_в.в – коефіцієнт залучення ваги крана у створення утримуючого моменту, таблиця 2 (для непрацюючого крана приймається рівним 1,05).

k_о.е коефіцієнт, який враховує особливості роботи елемента конструкції або частини металоконструкцій. При k_в.в=0,9 ( ІІ клас відповідальності крана і І клас відповідальності елемента) k_о.е=1.

У деяких випадках стійкість баштових кранів можна оцінити за тими ж формулами, що і для самохідних. У випадку розчалювання високих нерухомих баштових кранів рівняння стійкості має вигляд:

к_уМ_опр £ М_уд+Sr,

де к_у – коефіцієнт стійкості, рівний 1,15; М_опр – момент від вітрового навантаження, Н´м; М_уд – момент від власної ваги крана відносно ребро опрокидування з урахуванням ухилу шляху, Н´м; r – плече зусилля, м;

S – зусилля у розчалках, Н, що визначається із залежності:

S=(к_уМ_опр - М_уд)/r=(к_уМ_опр - М_уд)/(BSina);

де В – відстань від осі крана до якоря розчалки, м;

a - кут нахилу розчалки до горизонту.