Металлические конструкции

1.2.1. Порталы

Разнообразие конструкций порталов объясняется разнообразием требований к кранам и порталам, различием в традициях и опыте краностроительных предприятий, а также недостаточной изученностью границ рационального применения структур порталов.

Классификация порталов представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Классификация порталов портальных кранов

Рис. 1.8. Порталы кранов на опорно-поворотном круге и с круговым рельсом: а —рамный четырехстоечный серийных кранов АО «Подъемтрансмаш»; б — двухстоечный; в — рамно-башенный двухстоечный; г — рамно-башенный четырехстоечный; д — рамный четырехстоечный докового крана АО «Подъемтрансмаш»; е — рамный трехопорный

При трехопорном портале (рис. 1.8,е) нагрузка на опоры не зависит от неравномерности просадки крановых путей, улучшается прохождение крана по кривым, но ухудшается его устойчивость против опрокидывания, что исключает применение таких кранов при большой грузоподъемности.

По типу опорно-поворотного устройства различают порталы кранов на опорно-поворотном круге и с круговым рельсом (рис. 1.9), на поворотной (рис. 1.10,а – д) и неповоротной колонне, являющейся частью портала. При однорядном круговом рельсе (см. рис. 1.9,а) для устойчивости поворотной части против опрокидывания должны быть значительные диаметры кругового рельса и большие диаметры оголовка.

При двухрядных опорно-поворотных кругах габариты оголовка в плане резко уменьшаются (см. рис. 1.9,б – е), исключено опрокидывание поворотной части, рациональнее используется свободное пространство внутри круга. В кранах на поворотной колонне (см. рис. 1.10,а – д) порталы имеют два ригеля — верхний (оголовок) и нижний. При этом исключается опрокидывание поворотной части, в элементах опорно-поворотного устройства применяются серийные подшипники качения, однако усложняются схема и монтаж портала, возрастает его масса.

По способу образования пространственной системы портала различают рамные, рамно-башенные, рамно-раскосные, решетчатые и рамно-решетчатые порталы. Рамные порталы (см. рис. 1.9,а,д,е и 1.10,а – в) обычно имеют коробчатое исполнение. По сравнению с решетчатыми у них снижаются масса за счет уменьшения числа нерасчетных элементов, число деталей и монтажных стыков, общая трудоемкость изготовления и стоимость.

В рамно-башенных порталах (см. рис. 1.9,в,г и 1.10,е) цилиндрическая, цилиндро-коническая или пирамидальная башня соединена с нижней рамной конструкцией. Рамно-башенный портал удачно сочетается с опорно-поворотным кругом, установленным на башне. Однако башня (как и оголовок двухстоечного портала) получает значительные перемещения за счет изгибных деформаций.

В рамно-раскосных порталах кранов на колонне (см. рис. 1.10,г) ригель, воспринимающий вертикальную нагрузку от нижней опоры колонны, является верхним ригелем рамной конструкции; оголовок связан с нижней рамой восемью раскосами коробчатого, трубчатого или открытого сечения.

Раскосы работают в основном на осевые силы, что в ряде случаев позволяет снизить массу по сравнению с чисто рамной конструкцией.

Решетчатые порталы (см. рис. 1.10,д) представляют собой пространственные ферменные конструкции, собираемые из отдельных стержней; в

Рис. 1.9. Порталы кранов на колонне: а — рамный четырехстоечный с крестообразным ригелем; б — рамный двухстоечный; в — рамный двухстоечный с А-образными стойками; г — рамно-раскосный; д —решетчатый; е — рамно-башенный

рамно-решетчатых порталах (см. рис. 1.8,б) некоторые элементы выполнены листовыми.

По числу присоединения опор к верхнему ригелю порталы подразделяются на двухстоечные (см. рис. 1.8,б и 1.9,б,в) и четырехстоечные (см. рис. 1.8,а,г,д и 1.9,а,д,е). Трехопорные порталы являются трехстоечными. Порталы могут иметь один — три ригеля и более. Четырехстоечные порталы обычно имеют нижние затяжки трубчатого (см. рис. 1.8,а,д и 1.9,а) или коробчатого (см. рис. 1.8,г и 1.9,в,е) сечения. В некоторых порталах имеются и верхние затяжки для разгрузки верхних частей опор от изгиба; их целесообразно располагать вдоль главных осей инерции сечений соединяемых опор (см. рис. 1.8,а,д). Двухстоечные порталы весьма податливы в вертикальной плоскости и практически нечувствительны к неровностям пути. Они проще в изготовлении и монтаже, но при положении стрелы вдоль пути оголовок получает значительные перемещения.

Сравнение эффективности оптимальных конструкций порталов кранов перспективного ряда АО «Подъемтрансмаш» показало, что для монтажных кранов грузоподъемностью Q < 30 т с высотой портала до 25 м целесообразно применять рамные двухстоечные порталы (минимум себестоимости), в остальных случаях — рамно-башенные. Для грейферных кранов при Q > 16 т целесообразны рамно-башенные порталы, при Q < 10 т — двухстоечные. Тенденция мирового краностроения — сокращение четырехстоечных порталов и увеличение двухстоечных и рамно-башенных.

1.2.2. Стрелы, хоботы и оттяжки

Конструкции стрел портальных кранов достаточно многообразны, основные их разновидности представлены на рис. 1.10.

Наибольшее распространение получили балочные коробчатые стрелы (рис. 1.10,а), имеющие высокое сопротивление усталости и технологические преимущества. Поскольку стрелы наряду с изгибом испытывают интенсивное сжатие, рациональны балочные трубчатые стрелы (рис. 1.10,б). Шпренгельные или комбинированные стрелы (рис. 1.10,в,г) имеют развитую в горизонтальной плоскости балку и шпренгельную систему, которая частично разгружает от изгиба балку (см. штриховые линии на рис. 1.10,в) или часть ее (там же сплошные линии). Шпренгельная система размещена на верхнем или нижнем поясе балки в зависимости от направления наибольшего изгибающего момента. Шпренгельная система на рис. 1.10,г меньше разгружает балку от изгиба и необходима в основном для связи с тяговым элементом механизма изменения вылета.

Рис. 1.10. Стрелы портальных кранов, объяснения см. в тексте

Решетчатые стрелы (рис. 1.10,д) — трехгранные или четырехгранные, выполнены из труб или сортового проката. При малой грузоподъемности они имеют наименьшую массу, но при необходимости обеспечения сопротивления усталости сварных соединений данные конструкции требуют трудоемких технологических и конструктивных решений, поэтому для перегрузочных кранов, работающих в тяжелом и весьма тяжелом режимах, решетчатые конструкции нецелесообразны. Безраскосные прямые стрелы (рис. 1.10,е) легче балочных, но более трудоемки в изготовлении по сравнению с ними и при рациональном проектировании имеют примерно такую же массу, как и решетчатые.

Рис. 1.11. Хоботы портальных кранов

Шпренгельные раскосы (трубчатые или коробчатые) работают на растяжение, дополнительные стойки обычно не нужны. Для хобота шпренгельная конструкция наиболее рациональна.

Оттяжки хоботов портальных кранов (рис. 1.12) могут выполняться как жесткими — обычно из труб (рис. 1.12,а), так и гибкими — из канатов (рис. 1.12,б).

Рис. 1.12. Оттяжки хоботов портальных кранов, объяснения см. в тексте

Трубчатые оттяжки соединяют с хоботом и колонной шарнирами на сферических подшипниках (рис. 1.12,а), когда оттяжки воспринимают только осевые силы. Оттяжные канаты соединяют с каркасом через шарниры на сферических подшипниках, с хоботом — через уравнительный балансир (рис. 1.12,б). Оттяжки в виде ферменной (рис. 1.12,в) или балочной конструкции применяют достаточно редко.

1.2.3. Колонны и каркасы

Колонны портальных кранов вместе с каркасами (рис. 1.13) образуют достаточно сложные и многообразные несущие конструкции.

Рис. 1.13 Колонны и каркасы портальных кранов, объяснение см. в тексте

Широкое распространение получила балочная коробчатая конструкция с вертикальной (рис. 1.13,б,е) или наклонной (рис. 1.13,а) осью.

Нижняя часть колонны имеет пирамидальную форму (рис. 1.13,а,е).

Для кранов малой грузоподъемности иногда применяют решетчатые колонны (рис. 1.13,д).

В кранах на многокатковом однорядном круге несущие конструкции поворотной части имеют вид рамного (рис. 1.13,в) или решетчатого каркаса. На некоторых зарубежных кранах применяют стрежневые каркасы; их элементы соединены шарнирами и работают в основном на осевые силы (рис. 1.13,г).

1.2.4. Нагрузки на металлические конструкции и их расчетные комбинации

В настоящее время проектировочный расчет металлических конструкций портальных кранов ведется по комбинациям нагрузок (табл. 1.1), которые были в свое время предложены А.Г. Лангом. Один из недостатков этого метода расчета – фиксация параметров нагружения независимо от условий их определения. Например, коэффициенты динамичности нагрузок при работе механизма подъема груза нормируются лишь в зависимости от группы режима работы крана; в действительности они различны для разных вылетов, масс и длины подвесов груза. Аналогичные примеры можно привести и для других параметров нагружения. Однако пока для проектировочного расчета разумной альтернативы не предложено; метод может быть уточнен за счет расчетного определения некоторых параметров нагружения.

Веса поворотной G_П и неповоротной G_Н частей крана при эскизном проектировании принимают по осуществленным конструкциям с учетом особенностей крана [15], по результатам проектирования производят уточнение весов и перерасчет. Для оптимальных конструкций некоторых узлов вес можно определить теоретически.

Вес груза G, который разрешается поднимать краном, может быть постоянным и переменным по вылету. Грейферные краны имеют постоянную по вылету грузоподъемность; при комбинации нагрузок II а вместо G принимают 1,1G с учетом возможного переполнения грейфера. Характерное для современных портальных монтажных кранов изменение допустимого веса груза по вылету G(R) (рис. 1.14) описывается уравнениями:

Таблица 1.1