УСТОЙЧИВОСТЬ БАШЕННЫХ КРАНОВ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СОСТОЯНИЯХ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Предложена постановка задачи по расчету устойчивости против опрокидывания башенных кранов при переменных эксплуатационных состояниях. Актуальность задачи обоснована тем, что в настоящее время мало внимания уделяется динамическим нагрузкам в ходе работы башенного крана, оказывающим большое влияние на его устойчивость; отсутствуют рекомендации, которые позволяют обоснованно выбирать сочетания нагрузок, вызывающие в элементах крана расчетные усилия с учетом переменных эксплуатационных состояний.

Ключевые слова:
устойчивость, нагрузки, башенный кран, динамика, эксплуатационные состояния
Текст
По степени аварийности башенные краны не имеют себе равных. Падения кранов происходят повсеместно и практически независимо от уровня выполнения правил техники безопасности. Башенный кран, по сравнению с другими видами подъемных механизмов, наиболее подвержен обрушению. Это объясняется особенностями конструкции башенного крана – при большой высоте он имеет незначительные колею и базу (как правило, не более 6 м) и поэтому обладает высокой чувствительностью к условиям эксплуатации, в частности к перегрузу, разнице в высоте ниток кранового рельсового пути и внешней нагрузке. Статистические данные по инцидентам, возникающим при эксплуатации грузоподъемных кранов, свидетельствуют о значительном количестве аварийных случаев (40 %), которые связаны с падением башенных кранов. Наибольшую опасность представляют аварии, связанные с потерей устойчивости башенного крана и его опрокидыванием (рис.), иногда с предшествующим разрушением элементов несущих металлоконструкций [1]. Падение башенного крана из-за просадки его опорных элементов В России количество подъемных кранов, отработавших нормативный срок службы, составляет более 80 %, в связи с чем высока вероятность аварийных случаев, выхода из строя отдельных механизмов и узлов, а также потери устойчивости положения в пространстве крана в целом. Нормативными обычно считают динамические нагрузки, возникающие при подъеме и опускании номинального груза при нормальных условиях разгона и торможения механизмов, отклонение груза от вертикали при повороте стрелы крана и изменении вылета. В то же время башенным краном одновременно могут производиться несколько рабочих движений: изменение вылета, подъём стрелы, поворот и передвижение крана. Изменение вылета стрелы, в зависимости от её типа, может производиться либо подъёмом или опусканием стрелы, либо перемещением грузовой тележки вдоль стрелы. Дополнительные динамические нагрузки создают механизмы крана при пуске и торможении, канатно-блочная система. В нормах расчета [2] содержатся весьма простые критерии устойчивости башенного крана, основанные на предположении, что все внешние силы, опрокидывающие кран, действуют в одном направлении и поэтому могут быть суммированы. Согласно требованиям нормативных документов [2], устойчивость крана определяется для более неблагоприятных условий его работы. Грузовую устойчивость крана проверяют как для максимального, так и для минимального вылетов. Собственную устойчивость кранов с маневровым изменением вылета контролируют при положении стрелы на максимальном вылете. Устойчивость кранов с установочным изменением вылета устанавливают для положения, когда стрела поднята до минимального вылета. Эти допущения для высоких башенных кранов, размеры оснований которых малы, приводят к завышению параметров прочности и устойчивости применительно к одному либо ограниченному количеству эксплуатационных состояний. При этом остаются неизученными параметры прочности для других сочетаний эксплуатационных состояний и внешних воздействий. ГОСТ 13994-81 не дает рекомендаций по расчету устойчивости в различных эксплуатационных состояниях, таких как поворот башни крана, изменение вылета, подъем (опускание) груза либо совмещение рабочих операций. Динамические нагрузки, появляющиеся во время работы башенного крана, отличаются большим разнообразием. В настоящее время отсутствуют рекомендации, которые позволили бы обоснованно выбрать сочетания нагрузок, вызывающие в элементах крана расчетные усилия с учетом переменных эксплуатационных состояний. Вместе с тем в ряде работ, например [3, 4], установлено, что динамические нагрузки при передвижении башенного крана или его грузовой тележки всегда значительно меньше, чем при повороте. Учет их одновременного действия не приводит к увеличению расчетной нагрузки, поэтому, выбирая сочетания нагрузок, рекомендуется учитывать наибольшую из них, а именно динамическую нагрузку, создаваемую механизмом поворота. Нагрузки могут иметь постоянное значение достаточно длительное время (собственный вес, вес груза) и могут быстро меняться по величине (эксплуатационные динамические нагрузки, ветер). Кратковременные импульсы динамических нагрузок могут быть менее опасными для устойчивости против опрокидывания. В [3] отмечено также, что сочетание нагрузок, учитываемых при расчете устойчивости, не включает эксплуатационные динамические нагрузки. Различные нагрузки могут действовать на кран одновременно. Некоторые из них можно считать независимыми (например, вес груза и ветер) и вероятность их совпадения определять статистическими методами, другие (например, вес груза и динамика подъема) функционально связаны. Исследованиями [4] было установлено, что динамические нагрузки при одновременном пуске (торможении) двух механизмов горизонтальных движений меньше суммы тех же нагрузок при раздельном пуске (торможении). В итоге сложившийся в настоящее время подход предусматривает формирование не более трех расчетных сочетаний нагрузок и положений башенного крана, из которых для целей обеспечения прочности и устойчивости положения в пространстве решающим выбирается только одно. Вместе с тем влияние других эксплуатационных состояний и сочетаний нагрузок на прочность и устойчивость башенного крана остается малоизученным. Их вероятность может быть оценена на основе статистических данных. Достаточно частым является случай одновременного подъема груза и изменение вылета с помощью грузовой тележки. Одновременное действие трех механизмов при эксплуатации башенного крана имеет ту же вероятность возникновения. Могут возникнуть нагрузки, связанные с совпадением переходных процессов и направлений действия динамических сил. Нерассмотренными остаются вопросы совместного действия статических и динамических нагрузок и ограничения амплитуды колебаний конструкций пределами, которые исключают возможность вредного влияния этих колебаний. Динамические нагрузки, возникающие при движении крана и выполнении рабочих операций, могут приводить к резкому изменению нагрузок на металлоконструкцию крана, изменению нагрузок на опоры и крановые рельсовые пути башенного крана. Источником больших динамических нагрузок могут быть толчки и удары, достигающие большой силы при больших зазорах в передачах механизмов, неисправных стыках рельсовых путей, износе опорно-поворотных устройств и т. п. Проектирование башенных кранов невозможно без учета динамических воздействий, таких как кратковременное динамическое воздействие, возникающее при пуске-торможении механизмов, динамические нагрузки внешнего характера, например воздействия, вызванные пульсацией ветра. Эти нагрузки вызывают в элементах крана напряжения, меняющиеся в широких пределах, и зачастую превосходят напряжения, возникающие при паспортных нагрузках. Поэтому метод обоснования прочности и устойчивости башенных кранов, основанный на использовании динамического коэффициента и наиболее неблагоприятном сочетании нагрузок, не отражает действительных условий его работы. Влияние указанных факторов на устойчивость башенного крана можно определить путем вычисления изменения реакции в опорах башенного крана при действии сочетания нагрузок как определяемых ГОСТ 13994-81 в случае статически приложенного нагружения, так и с учетом различных эксплуатационных состояний в случае использования динамического анализа.
Список литературы

1. Булатов Б. Л., Синельщиков А. В. Расчет устойчивости башенных кранов на основе определения реакции в опорах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. – 2011. – № 2 (52). – С. 27–30.

2. ГОСТ 13994-81. Краны башенные строительные. Нормы расчета.

3. Башенные краны / Л. А. Невзоров, А. А. Зарецкий, Л. М. Волин, В. Л. Лившиц, И. М. Смородинский. – М.: Машиностроение, 1979. – 296 с.

4. Зарецкий А. А. Исследование колебаний строительных башенных кранов с поворотной колонной при работе механизмов подъема: дис. … канд. техн. наук. – М., 1962. – 171 с.