Устойчивость кранов

Под устойчивостью крана понимается его способность противодействовать опрокидывающим моментам.

Расчет устойчивости крана производится при действии испытательной нагрузки, действии груза (грузовая устойчивость), отсутствии груза (собственная устойчивость), внезапном снятии нагрузки и монтаже (демонтаже).

Расчет устойчивости производится в соответствии с нормативными документами, например, РД 22-145-85 «Краны стреловые самоходные. Нормы расчета устойчивости против опрокидывания». Соотношение между восстанавливающим и опрокидывающим моментами определяет степень устойчивости крана против опрокидывания. Для разных положений крана значения опрокидывающих и восстанавливающих моментов различны, так как изменяются значения действующих сил, их плечи и положение центра тяжести крана. Устойчивость крана должна быть обеспечена для всех его положений при любых возможных комбинациях нагрузок. К этим нагрузкам для передвижного поворотного крана относятся:

- вес поднимаемого груза;

- инерционные силы при пуске или торможении меха­низмов крана;

- центробежные силы, возникающие при вращении поворотной части крана;

- сила давления ветра на груз и элементы крана.

Таким образом, различают грузовую устойчивость, то есть способность крана противодействовать опрокидывающим моментам, создаваемыми весом груза, силами инерции, ветровой нагрузкой рабочего состояния, и собственную устойчивость — способность крана противодействовать опрокидывающим моментам при нахождении крана в рабочем (в том числе без груза) и нерабочем состояниях.

Условия проверки грузовой устойчивости (рис. 3.26,а): кран стоит на наклонной местности, подвержен дейст­вию ветра (по нормам для рабочего состояния) и поворачивается, одновременно тормозится спускаемый груз; стрела установлена поперек пути (при установке стрелы вдоль пути может одновременно происходить и торможение движущегося крана); на кран действуют вес груза, силы инерции, возникающие при торможении спус­каемого груза и движущегося крана, силы инерции от вращения крана, ветровая нагрузка. Расчет устойчивости производится для всех вылетов.

3.26. Схема расчета устойчивости стрелового крана

Условия проверки собственной устойчивости (рис. 3.26, б): кран стоит на наклонной местности, вылет стрелы мини­мальный; кран подвержен только действию ветра (по нормам для нерабочего состояния). Расчет производится только для минимального вылета. Величина запаса устойчивости характеризуется коэффициентом устойчивости и устанавливается нормативными документами.

Коэффициентом грузовой устойчивости называют отношение момента относи­тельно ребра опрокидывания, создаваемого весом крана с учетом дополнительных нагрузок (ветро­вая нагрузка, силы инерции, возникающие при пуске или тормо­жении механизмов подъема груза, поворота или передвижения крана) и влияния наибольшего допускаемого при работе крана уклона, к моменту , создаваемому рабочим грузом относительно того же ребра. Этот коэффициент должен быть не менее 1,15, то есть:

.

Ребром опрокидывания является линия, проходящая через точку контакта колеса и рельса, относительно которой кран стремится опрокинуться.

Коэффициентом собственной устойчивости называют отношение момента, соз­даваемого весом крана, с учетом уклона пути в сторону опрокидыва­ния относительно ребра опрокидывания к моменту, создаваемому ветровой на­грузкой при нерабочем состо­янии крана относительно того же ребра опрокиды­вания. Этот коэффициент также должен быть не менее 1,15.

Для определения числовых значений коэффициентов устойчивости необходимо определить силы, действующие на кран; плечи, на которых дейст­вуют эти силы и создаваемые ими моменты. На рис. 3.26, а показан железнодорожный кран в рабочем состоянии и действующие на него силы. Точка О представляет собой ребро опрокидывания, а точка цт — положение центра тяжести крана.

Силы, действующие на кран, и плечи этих сил следующие:

Q —вес крана;

= Qcos — нормальная составляющая веса крана, действующая на плече (а+в) относительно ребра опрокидывания;

— составляющая веса крана, действующая параллельно плоскости вращения крана на пле­че h₂;

— сила давления ветра, действующая на плече h₁ на подветренную площадь крана F_k и зависящая от удельного давления ветра р при рабочем

состоянии крана;

W₂ = pF_г — сила давления ветра на подветренную площадь груза F_г, действующая на плече h₃ при ветре рабочего состояния;

G_r — вес наибольшего рабочего груза, дейст­вующего на плече (L- в)cos + h₃ sin ;

G_ит— сила инерции груза при торможении, действую­щая на плече (L-в)cos + + h₃ sin ; величина этой силы равна:

где t_т - время торможения, с;

v_оп - скорость опускания груза, м/с, принимаемая как v_оп=1,5 v_п;

v_п - скорость подъема груза, м/с;

G_ив - центробежная сила груза, возникающая при вращении крана и действующая на плече h₃ относительно ребра опрокидывания. Величина этой силы:

где ;

R – радиус вращения груза, м.

При вращении крана канат, на котором висит груз, под действием силы инерции отклонится от вертикали на угол . Следовательно, радиус вращения груза превысит вылет крана на некоторую величину с. Угол отклонения каната определится из равенства

откуда следует, что

,

а радиус вращения груза

.

Окружная скорость груза, м/с, составляет:

,

где n – скорость вращения крана, мин^-1.

Теперь легко получить значение силы G_ив:

Подставляя в исходную формулу центробежной силы полученные выражения легко убедиться, что:

.

Суммарный восстанавливающий момент равен сумме моментов, создаваемых силами Q, G_ит, G_ив, W₁ и W₂. Опрокидывающий момент создается силой G_г. Тогда коэффициент грузовой устойчивости может быть вычислен по формуле:

Угол наклона принимают равным для башенных строительных кранов примерно 1,5°, для железнодорожных, пневмоколесных, гусеничных, автомобильных и других подобных кранов, работа­ющих без выносных опор, примерно 3°, при работе на выносных опорах — 1,5°.Нормами предусмотрена проверка коэффициента грузовой статической устойчивости, то есть устойчивости крана, находящегося только под воздействием весовых нагрузок (без учета дополнительных сил и уклона площади):

Коэффициент собственной устойчивости крана

,

где M_Q — момент, создаваемый весом крана с учетом уклона пути в сторону опрокидывания;

М_в — момент ветровой на­грузки при нерабо­чем состоянии крана относительно ребра опрокидывания.

.