Судовые краны

Независимо от наличия в морских и речных портах достаточно мощного подъемно-транспортного оборудования суда должны быть снабжены грузоподъемными устройствами, кранами или грузовыми стрелами. При этом обеспечивается независимость судов от наличия в порту свободных грузоподъемных машин, сокращаются сроки погрузки и разгрузки судна, а соответственно, и время их оборачиваемости. Кроме того, в морских портах нередко производится перевалка грузов с морских судов на речные, и наоборот. Но портовые краны не всегда имеют достаточный вылет для обеспечения таких операций. В этих условиях используются судовые краны.

2.2.1. Общие положения

Судовые краны устанавливают в большинстве случаев стационарно на палубе транспортных судов и судов технического флота (например, на палубе тяжелых плавучих кранов) для работы со штучными (реже — сыпучими) грузами, перевозимыми на судах, и для вспомогательных операций.

В зависимости от типа судна судовые краны подведомственны Морскому регистру судоходства России [11] или Российскому речному регистру [10].

В настоящее время на судах применяют грузовые стрелы, стреловые поворотные, козловые, подпалубные краны, подъемники и грузозахватные приспособления.

Подъемник — грузоподъемное устройство упрощенной конструкции типа кран-балок, тельферов, талей (гиней) и горденей с машинным или ручным приводом, стационарно установленное на судне. Грузозахватные приспособления — все приспособления, с помощью которых груз можно надежно закрепить к грузоподъемному устройству, но которые не являются составной частью грузоподъемного устройства или груза, например, спредеры для контейнеров, подъемные траверсы, рамы и другие приспособления, являющиеся принадлежностью судна. Если не оговорено иное, грузозахватные приспособления следует рассматривать как съемные детали.

Масса крана должна быть по возможности минимальна. Вместо тяжелых судовых кранов можно использовать судовые грузовые стрелы — грузоподъемные устройства, осуществляющие удержание и перемещение груза системой тросов и блоков, закрепляемые на собственных конструкциях стрел и вне их (на мачтах, колоннах, палубах и лебедках). Различают легкие и тяжелые стрелы — судовые грузовые стрелы грузоподъемностью одиночной стрелы менее 10 т и более, а также механизированные стрелы, у которых предусматривается возможность изменения их положения под грузом с помощью поворотных оттяжек и лебедок, составляющих неотъемлемую часть стрелы.

Управление судовыми кранами должно быть достаточно простым, так как его часто выполняют портовые рабочие, не имеющие специальной подготовки. Электродвигатели, механизмы и электропроводка судовых кранов должны быть выполнены во влагозащищенном исполнении.

Грузоподъемность (наибольшая масса допустимого к подъему груза, включая массу вспомогательных приспособлений, применяемых для крепления груза: стропов, траверс, платформ, сеток и т.п., а также грейферов, грузоподъемных электромагнитов, кюбелей и бадей) судовых кранов, согласно ГОСТ 25002, составляет 1…320 тонн, максимальный вылет 8…15м, минимальный вылет 3…6 м, скорость подъема груза 4,4…40м/мин, скорость изменения вылета 25…30 м/мин, частота вращения 1…1,15 об/мин. Вылет стрелы — расстояние между центром тяжести поднятого груза и вертикальной осью вращения. Полезный вылет стрелы — расстояние от центра тяжести поднятого груза до плоскости борта или транца понтона при горизонтальной посадке последнего.

2.2.2. Конструктивные особенности

Поворотные стреловые краны. Поворотный кран позволяет брать груз в любой точке трюма или погрузочной площадки порта в зоне действия крана и опускать его также в любой точке этой зоны. Кран, как правило, имеет три механизма: подъема груза, изменения вылета и поворота. На больших судах нередко устанавливают несколько таких кранов. Краны могут быть крюковыми и грейферными. На рис. 2.16 представлен судовой кран с неподвижной колонной. Следует отметить, что механизмы поворотных стреловых судовых кранов не защищены от атмосферных воздействий.

Рис. 2.16. Схема судового крана с неподвижной колонной: 1 — механизм изменения вылета; 2 — механизм поворота; 3 — механизм подъема; 4 — кабина; 5 — стрела; 6 — концевые блоки; 7 — крюковая подвеска

Судовые поворотные краны обычно устанавливаются на опорной конструкции, имеющей форму круглой трубы с уширенной верхней частью, связанной с элементами корпуса судна.

Судовые стреловые краны бывают электрическими (краны, изготовляемые в России, имеют индекс КЭ), электрогидравлическими (КЭГ) и гидравлическими (КГ). Типы и параметры отечественных кранов (в частности, завода АО «Подъемтрансмаш» и Пролетарского завода (рис. 2.17)) даны в [15].

Преобладающий тип стрелового устройства — прямая стрела с уравнительным полиспастом без противовеса, с полиспастным, винтовым (рис. 2.18) или гидравлическим механизмом изменения вылета (рис. 2.19). Стрелу иногда выполняют с ломаной осью (локтевая стрела — рис. 2.19,б) для возможности подъема груза большого габарита на малых вылетах. За рубежом имеются двухзвенные стрелы, каждое звено которых управляется своим гидроцилиндром (рис. 2.20), а также телескопические стрелы.

Наиболее распространенные на современных судовых кранах типы опорно-поворотного устройства — шариковый или роликовый опорно-поворотный круг и неповоротная колонна (см. рис. 2.19).

Рис. 2.17. Судовой кран «Атлант» грузоподъемностью 12,5 тонны с ковшовым грейфером для насыпных грузов: 1 — колонна; 2 — поворотный круг; 3 — каркас; 4 — блоки; 5 — кабина; 6 — блоки механизма раскрытия грейфера; 7 — уравнительный полиспаст; 8 — стрела; 9 — канаты механизма раскрытия грейфера; 10 — успокоитель грейфера; 11 — грейфер;12 — концевые блоки

С 1 января 1986 года введен ГОСТ 25938 «Краны поворотные палубные с переменным вылетом стрелы», распространяемый на электрические (КЭ), гидравлические (КГ) и электрогидравлические (КЭГ) краны, устанавливаемые на открытой палубе морских судов.

Примеры условных обозначений кранов, принятых в этом ГОСТе:

1) кран одинарный с электрогидравлическим приводом грузоподъемностью 12,5 тонны с наибольшим вылетом стрелы 18 м: КЭГ 12,5 —18;

2) то же — для сдвоенного крана (два одинарных крана на общей платформе со стрелами, развернутыми в противоположные стороны —см. рис. 2.20): 2КЭГ 12,5 — 18.

ГОСТ 25938 предусматривает номинальные грузоподъемности: одинарных кранов — 1,6; 3,2; 5; 8; 12,5; 16; 20; 25 тонн и т.д. до 60 тонн, сдвоенных кранов — 2×8; 2×12,5; 2×16; 2×20; 2×25 тонн до 2×60 тонн.

Скорость подъема и спуска малых грузов и порожнего крюка должна вдвое превышать номинальную скорость, минимальная (посадочная) скорость спуска номинального груза — не более 10 % номинальной. Краны должны быть работоспособными при крене судна 5^o, дифференте 2^o, ветровом давлении в продольном и поперечном направлениях 400 Па, бортовой качке с амплитудой до 2^o 30^/ и периодом не менее 8 с.

Рис. 2.18. Судовые краны: а, б — электрические; в — электрогидравлический; а, в — на опорно-поворотном круге; б — на колонне;

1 — опорно-поворотный круг (а, в), колонна (б); 2 — платформа; 3 — механизм изменения вылета: винтовой (а), полиспастный (б); 4 — стрела; 5 — подвеска; 6 — стрела по-походному; 7 — механизм подъема

а) б)

Рис. 2.19. Судовые краны с гидравлическим механизмом изменения вылета: а — с однозвенной стрелой; б — с локтевой стрелой

Рис. 2.20. Спаренные гидравлические краны

В конструкции должна быть предусмотрена возможность укладки по-походному. Краны должны сохранять работоспособность после длительного воздействия крена до 15^o, дифферента до 5^o, силы ветра 11 баллов, ветрового давления до 2000 Па, при бортовой качке с амплитудой до 40^o, температуры до –50 ^oС. Отклонение траектории груза от горизонтали при изменении вылета при положении судна на ровном киле 3,5 % диапазона изменения вылета. Конструкция должна обеспечивать неограниченный угол поворота. В зависимости от расположения крана на судне допускается ограничение угла поворота.

На судовые краны речных судов ГОСТ 25938 не распространяется. Конструкции судовых кранов речных судов [2] принципиально не отличаются от рассмотренных. Известны также судовые краны на плавучем портале, перемещающиеся вдоль судна.

Козловые судовые краны. Эти краны передвигаются по рельсовым путям, проложенным по палубе над крышками трюмных люков. Главные балки моста жестко прикреплены к опорам. Стойки каждой из опор соединены между собой стяжкой. Таким образом, кран представляет собой жесткую пространственную конструкцию. При отсутствии консолей кран невозможно использовать для погрузочно-разгрузочных работ. Однако в походном положении консоли необходимо убирать, так как они создают аэродинамическое сопротивление и мешают маневрированию судна (особенно в порту). Поэтому их делают выдвижными или складными. В походном положении кран сдвигают к кормовой надстройке судна, консоли убирают и кран прочно крепят к палубе. На некоторых судах применяют также однобалочные козловые краны.

Представляет интерес судовой кран грузоподъемностью 3 тонны, выпускаемый японской фирмой «Мицубиси» (рис. 2.21). Кран имеет пролет 15,2 м, консоли длиной по 6,7 м каждая, полную высоту подъема 18,3 м, скорости: подъема 60…30 м/мин; передвижения тележки 50 м/мин; передвижения крана 10 м/мин. Между двумя главными балками крана в направляющих роликах может перемещаться рама, длина которой равна длине главных балок. Эта рама, будучи выдвинутой на правый или левый борт судна, образует консоль. Грузовая тележка движется внутри рамы, к которой прикреплена кабина крановщика.

На рис. 2.22 представлена схема грейферного судового крана. Особенность этого крана – опоры, имеющие Г-образную форму и перемещающиеся с помощью гидроцилиндров в вертикальное или наклонное положение. Пролетное строение имеет прорези, в которые входят штыри, соединяющие его с опорами. При наклоне опор в походное положение высота конструкции уменьшается. Кран оборудован ленточным конвейером. Такими кранами оборудуют суда, перевозящие насыпные материалы (уголь, руду и пр.).

Рис. 2.21. Судовой козловой кран с выдвигающейся рамой: 1 — корпус судна; 2 — опора крана; 3 — мост крана; 4 — ролики; 5 — рама; 6 — тележка

Рис. 2.22. Судовой грейферный кран с опускающимся мостом и конвейером: 1 — корпус судна; 2 — колеса крана; 3 — опускающиеся опоры; 4 — мост крана; 5 — гидроцилиндры; 6 — тележка; 7 — грейфер; 8 — конвейер

На рис. 2.23 представлен козловой кран фирмы «КОНЕ» для обработки барж на судах-баржевозах (типа LASH или лихтеровозах). На рис. 2.24 представлена схема этого технологического процесса. Кран выезжает на консоли, выполненные в кормовой части судна, захватывает баржу, которую буксир доставил в место загрузки (I), поднимает (II) ее и транспортирует на место вдоль судна (III). Кран сконструирован таким образом, что имеется возможность устанавливать баржи по высоте в четыре или более яруса (IV).

Рис. 2.23. Козловой кран фирмы «КОНЕ» для судов-баржевозов

Рис. 2.24. Схема технологического процесса обработки барж на судах-баржевозах:
1 — судно; 2 — козловой кран; 3 — баржи (I – IV см. в тексте)

Подпалубные краны. Особый тип судовых кранов – подпалубные краны, предназначенные для погрузки или разгрузки автомобилей, крупных штучных грузов и других грузов в контейнерах или на специальных поддонах. Суда, оборудованные этими кранами, имеют в бортах проемы, закрываемые в походном положении герметичными створками — аппарелями. Под главной палубой от проема правого борта до проема левого борта подвешены подкрановые пути, по которым на роликах передвигается прямоугольная рама — мост крана. Внутри рамы движется грузовая тележка с подвешенной к ней кабиной крановщика. Рама и кабина могут двигаться одновременно. В крайнем положении рамы ее вылет за борт составляет 4,6 м. Грузоподъемность этих кранов достигает 6,5 тонны.

Кран оборудован простейшим автоматическим захватом для поддонов, который подвешивается на четырех канатах. Управление краном осуществляется из кабины крановщика. Кран может перемещать грузы только поперек судна. Перемещение груза вдоль судна должно осуществляться другими средствами (подпалубными транспортерами, электрокарами и т.п.).

Судовые контейнерные краны устанавливают на судах-контейнеровозах для независимой от портовых средств погрузки и выгрузки контейнеров. Эти краны имеют мост (портал), перемещаемый по рельсам на палубе судна, с откидными консолями или без них, с опорой или угловой тележкой, часто имеющей поворотную стрелу, что позволяет делать портал без консолей. Известны также краны с передвижным двух-стоечным рамно-башенным порталом без консолей и с поворотной стрелой, опирающейся на короткую башню, установленную в середине ригеля портала. Грузоподъемность и скорость судовых контейнерных кранов аналогичны складским контейнерным перегружателям. Иногда применяют механизм разворота спредера, сохраняющий его ориентировку параллельно диаметральной плоскости судна при любом угле поворота стрелы, и механизм наклона спредера для компенсации крена или дифферента судна.

Крановое оборудование атомных ледокольных судов, условия его эксплуатации и конструктивные особенности практически не отличаются от рассмотренных в данном разделе, за исключением состава надзора за их эксплуатацией, подведомственного атомной инспекции Морского регистра судоходства.

Специальные краны морских буровых платформ предназначены для обеспечения работ, связанных с перегрузкой грузов с судов, обслуживающих буровые платформы, а также для ремонта и обслуживания бурового и другого оборудования. На рис. 2.25 представлены такие стреловые краны грузоподъемностью 100 и 40 т.

Особенность их конструкций, расчетов и эксплуатации состоит в том, что при своей стационарности, не отличающейся от береговых кранов, они испытывают нагрузки рабочего и нерабочего состояния в открытых морских акваториях, а для принятия грузов с судов при волнении должны быть оборудованы всеми необходимыми для этого следящими устройствами.

Механизмы судовых кранов—лебедки и вьюшки грузовых стрел, механизмы подъема груза, изменения вылета стрелы, поворота и передвижения кранов.

Вьюшки грузовых стрел — механизмы, служащие для перемещения стрел без груза и удержания неподвижных под грузом стрел, приводимые в действие от лебедок или имеющие автономный привод.

Рис. 2.25. Стреловые краны буровой платформы: 1 — буровая платформа; 2 — стреловые краны; 3 — подвеска основного подъема; 4 — подвеска вспомогательного подъема; 5 — груз; 6 — успокоитель груза

Механизмы подъема судовых кранов принципиально не отличаются от механизмов подъема кранов общего назначения. К особенностям первых относится наличие в них устройства, служащего для уменьшения раскачивания груза.

Для достижения по возможности более высокой производительности скорость подъема порожнего крюка иногда принимают больше скорости подъема номинального груза. Для регулирования скорости отдельных механизмов применяют двух- или трехскоростные двигатели переменного тока, двигатели постоянного тока, двигатели постоянного тока с независимым возбуждением и редукторы с переключением ступеней. В особых случаях применяют лебедки следящего действия для операций с грузом в условиях качки судна.

Конструкция и установка стреловых кранов на судах должны предотвращать самопроизвольное опрокидывание стрелы в сторону, противоположную вылету, с учетом возможных при эксплуатации кренов и дифферентов, с применением при необходимости ограничивающих упоров, а также обеспечивать надежное крепление их к корпусу судна. Набор корпуса судна в месте установки крана должен быть соответственно подкреплен.

Должно быть предусмотрено надежное крепление судовых кранов и их стрел «по-походному».

Коэффициент запаса торможения механизма подъема груза должен быть не менее 1,5. Коэффициент запаса торможения механизма изменения вылета стрелы должен быть не менее 2; при этом статический момент на тормозном валу, создаваемый весом груза, весом стрелы и противовесом, должен определяться в таком положении стрелы, при котором момент имеет наибольшее значение. При наличии на приводе двух и более тормозов запас торможения устанавливается в предположении, что весь груз удерживается одним тормозом. Коэффициент запаса торможения каждого из этих тормозов при одновременном срабатывании должен быть не менее 1,25. Если тормоза срабатывают не одновременно, действительны коэффициенты запаса для одиночных тормозов.

Тормоза механизмов поворота и передвижения должны быть автоматически действующими и управляемыми; применение тормозов открытого типа является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром. Коэффициент запаса торможения должен быть не менее 1. Коэффициент запаса торможения для верхних строений плавучих кранов (крановых судов) и кранов, предназначенных для работы при волнении, должен быть не менее 1,5. Механизмы поворота и передвижения кранов с ручным тормозом должны быть снабжены стопорами, предотвращающими возможность самопроизвольного поворота или передвижения кранов.

Устойчивость передвижных кранов должна быть обеспечена как при работе, так и в нерабочем состоянии. Проверка устойчивости должна проводиться по методике и нормам, одобренным Регистром. Передвижные краны должны быть снабжены прочными рельсовыми захватами или обратными роликами, должны иметь противоугонные приспособления (съемные рельсовые захваты и т.п.).

Ходовые колеса механизмов передвижения кранов, грузовых тележек и подъемников должны быть выполнены или установлены таким образом, чтобы исключалась возможность схода колес с рельсов. На концах рельсового пути должны быть установлены упоры, рассчитанные на восприятие удара крана, тележки или подъемника, движущихся с наибольшим рабочим грузом при нормальной скорости.

Конструкция кранового противовеса должна исключать возможность изменения установленной массы в эксплуатации. Крепление отдельных грузов в противовесе должно исключать их смещение. Передвижные противовесы должны или передвигаться автоматически с изменением вылета стрелы, или, в зависимости от этого, иметь хорошо видимый указатель положения противовеса. При передвижении подвижного противовеса должна быть исключена возможность его заклинивания.

2.2.3. Особенности расчета

В качестве расчетных нагрузокдля верхних строений принимаются:

1) вес поднятого груза;

2) собственный вес конструкций и расположенного на них оборудования;

3) ветровая нагрузка (давление ветра на груз и металлоконструкции) принимается для максимальных нагрузок рабочего состояния — не менее 400 Па, для сброса груза — не менее 125 Па, для максимальной нагрузки нерабочего состояния — не менее 2000 Па; расчетное давление ветра для нерабочего состояния может быть уменьшено при представлении обоснованных доказательств, учитывающих условия акватории и эксплуатации верхнего строения, но во всех случаях оно должно приниматься не менее 1000 Па;

4) нагрузки от крена и дифферента судна (при определении усилий в конструктивных элементах верхних строений, расчет должен производиться для статического крена 5^o при положении стрелы поворотного верхнего строения на борт, и для статического дифферента 2^o при положении стрелы вдоль судна; если углы крена и дифферента в условиях эксплуатации больше указанных выше, то в расчете должны приниматься истинные значения углов); силы инерции, действующие на верхнее строение при качке на волнении (подробнее — [1, 9]);

5) инерционные нагрузки при подъеме груза с подхватом при ускорении (торможении) подъема (спуска) груза (коэффициент динамичности рассчитывается по методике, одобренной Регистром; при этом его величина для верхних строений, предназначенных для работы на тихой воде, в любом случае должна приниматься не менее 1,15, а для верхних строений, предназначенных для работы на волнении — не менее 1,4);

6) силы инерции, возникающие при торможении (разгоне) механизмов изменения вылета, поворота или передвижения и нагрузки и от раскачивания груза при волнении (учитываются при помощи углов отклонения груза, определяемых по методике, одобренной Регистром; в любом случае величины углов должны приниматься не менее 3^o вдоль и поперек стрелы одновременно). Отсчет углов производится от вертикали при максимальном динамическом крене верхнего строения;

7) центробежные силы инерции, возникающие при повороте верхнего строения;

8)вертикальные силы инерции, действующие на груз при качке от волнения (учитываются при помощи коэффициента динамичности, определяемого по методике, одобренной Регистром; в любом случае коэффициент принимается не менее 1,25).

В качестве расчетных комбинаций нагрузок для верхних строений принимаются следующие варианты:

Первый расчетный случай— нормальные нагрузки рабочего состояния. Расчетными нагрузками являются: вес поднятого груза, собственный вес конструкций; силы инерции при плавных пусках и торможениях, среднее давление ветра. Они учитываются при расчете верхнего строения на выносливость (усталостную прочность), выполняемом по методике, одобренной Регистром. Полученная при этом величина запаса прочности должна быть не менее определенной расчетом для максимальных нагрузок рабочего состояния, которыми являются вес поднятого груза с учетом наибольшего коэффициента динамичности, собственный вес элементов конструкции и давление ветра для рабочего состояния на конструкцию крана и груз, инерционные нагрузки от сброса груза и от качки на волнении.

Коэффициент динамичности должен определяться с учетом наибольшей скорости перемещения груза, жесткости конструкции (включая тросы) и масс конструкции и груза как для случая подъема (отрыва) груза, так и для случая торможения при спуске.

Второй расчетный случай— максимальные нагрузки рабочего состояния.

Верхнее строение неподвижно (работает только подъемный механизм), производится подъем (отрыв) груза от земли (палубы) или торможение его при спуске, сброс груза.

Верхнее строение с грузом находится в движении (передвижение, изменение вылета стрелы, поворот), причем происходит торможение или разгон одного из механизмов.

Расчетными нагрузками являются: вес поднятого груза и собственный вес элементов конструкции с учетом коэффициентов толчков при движении по подкрановому пути; наибольшие горизонтальные силы инерции масс верхнего строения и груза с учетом буксования ходовых колес, сбрасывания муфт предельного момента или других конструктивных особенностей; давление ветра рабочего состояния на конструкцию и груз; инерционные нагрузки от качки при волнении.

Коэффициент толчков определяется в зависимости от скорости движения и наличия стыков в рельсах.

Третий расчетный случай—максимальная нагрузка нерабочего состояния. Расчетными нагрузками являются: собственный вес элементов конструкции и давление ветра нерабочего состояния на конструкцию.

При достаточных основаниях может потребоваться использование при расчете иных, отличных от указанных комбинаций нагрузок, что может быть обусловлено спецификой условий эксплуатации или особенностями конструкций верхних строений.

В качестве расчетной нагрузки для грузозахватных приспособлений принимаются грузоподъемность и собственный вес. Для спредеров следует принимать смещение центра тяжести контейнера относительно положения центра объема контейнера на 1 / 10его ширины и длины, что является практическим приближением к естественным условиям перегрузочных работ. Для спредеров следует также рассматривать особый случай нагружения, когда полезная нагрузка воспринимается только тремя захватными поворотными головками.