CC BY
101
УДК 621.873.252:624.046 ББК 38.6-445.22-01
Б. Л. Булатов
РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОБОСНОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БАШЕННЫХ КРАНОВ
B. L. Bulatov
CALCULATION METHOD OF JUSTIFYING THE STABILITY OF THE TOWER CRANE
Представлены результаты натурного и вычислительного экспериментов. Проведен сравнительный анализ коэффициента устойчивости, полученного экспериментальным путем и нормативным расчетом устойчивости установки. Результаты натурного и вычислительного экспериментов совпали.
Ключевые слова: башенный кран, устойчивость, реакция в опорах, совершенствование методов расчета, нормативный расчет, опрокидывающий момент.
The results of natural and computing experiments are presented. The comparative analysis of the factor of stability received experimentally and normative calculation of stability of an installation is carried out. The results of natural and computing experiments coincided.
Key words: tower crane, stability, reaction in supports, improvement of the methods of calculation, normative calculation, tipping moment.
Статистические данные по инцидентам, возникающим при эксплуатации грузоподъемных кранов, свидетельствуют о значительном количестве аварийных случаев (40 %), которые связаны с падением строительных башенных кранов. Аварии зачастую приводят к травматизму и даже гибели людей, а также к повреждению зданий и другого имущества. Основными причинами аварий являются эксплуатация технически неисправных башенных кранов, невыполнение в полном объеме технических обслуживаний кранов и капитально-восстановительных ремонтов, а также нарушение проектов производства работ грузоподъемными кранами. От 50 до 90 % аварий случаются по вине самих работающих в результате халатного отношения персонала к технике безопасности и нарушения технологических режимов эксплуатации кранов (рис. 1).
Рис. 1. Авария башенного крана из-за просадки его опорных элементов
Башенный кран, по сравнению с другими видами подъемных механизмов, наиболее подвержен обрушению. Это объясняется особенностями его конструкции. 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 ветровой нагрузке.
Согласно ГОСТ 13994-81 «Краны башенные строительные. Нормы расчета» [1], устойчивость крана определяется для наиболее 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 определяют для положения, когда стрела поднята до минимального вылета.
Критерием выполнения условия является коэффициент устойчивости К. Он представляет собой отношение удерживающего момента к опрокидывающему:
К=МУД / МО,
(1)
где МУД - удерживающий момент; МО - опрокидывающий момент.
Однако критерий устойчивости (1) не учитывает различные эксплуатационные состояния башенного крана, а также переходные процессы, возникающие в начале подъема груза, поворота стрелы.
Более точную информацию об устойчивости башенного крана может дать непосредственный анализ реакций, возникающих в опорах крана - в месте контакта ходовых колес с крановым рельсовым путем. Расчетный анализ реакций при соблюдении требований [1] может быть осуществлен для различных эксплуатационных положений, а также для динамических процессов, возникающих в момент подъема груза и (или) при повороте стрелы.
Для того чтобы сравнить результаты расчета устойчивости башенного крана с использованием нормативного метода (1) и расчета устойчивости на основании анализа реакции в опорах, предлагается использовать следующую формулу для расчета коэффициента устойчивости:
К = 1 + Я2ШШ
(2)
Г)ШІП Г)ШІП г
где і\ , К2 - реакции, возникающие в опорах на ребре опрокидывания и опорах, противопо-
ложных ребру опрокидывания, соответственно.
Расчет реакций опор может быть осуществлен как с использованием традиционных методов строительной механики, так и метода конечных элементов.
С целью апробации (2) были проведены исследования, включающие натурный и вычислительный эксперимент. Целью экспериментальных исследований являлось определение величины реакций опор на экспериментальной установке и на расчетно-статической конечно-элементной модели, а также сравнение рассчитанных для этих случаев по (1) и (2) коэффициентов устойчивости.
Экспериментальная установка представляет собой пространственную раму, моделирующую башню крана и паук; две консоли - моделирующие стрелу и плечо противовеса. Схема экспериментальной установки и ее общий вид показаны на рис. 2.
а б
Рис. 2. Экспериментальная установка для определения реакций, возникающих в опорах:
а - вид сбоку (схема); б - вид сверху
в
Продолжение рис. 2. Экспериментальная установка для определения реакций, возникающих в опорах:
в - общий вид; 1 - груз; 2 - противовес; 3 - весы
Экспериментальная установка удовлетворяет параметрам упрощенной модели башенного крана: имеет сходную с реальным башенным краном схему расположения опор, позволяет проводить исследования при повороте стрелы и изменении вылета. При проведении экспериментальных исследований соотношение противовеса, массы груза и максимального вылета подбиралось так, чтобы при максимальном (при проведении эксперимента) вылете реакция на опорах со стороны противовеса была близка к нулю, т. е. обеспечивалось пограничное состояние устойчивости.
В ходе эксперимента проведено 144 измерения, из них 72 измерения проводились без уклона и 72 - с уклоном поверхности опирания в сторону груза 7°. Принимались четыре различных положения стрелы (0°, 15°, 30°, 45°) и шесть вылетов груза (0,696, 0,845, 0,995, 1,145, 1,295 и 1,445 м). В каждом эксперименте замерялись реакции опор с помощью весов, измерения в каждом положении проводились три раза, а полученные значения усреднялись. Результаты измерения реакций, возникающих в опорах установки для угла поворота стрелы 0° и при различных вылетах, приведены в табл. 1 и на рис. 3, а. На рис. 3, б—г приведены графики изменения реакций в опорах при повороте стрелы 15°, 30° и 45° для случая без уклона опорной поверхности.
Таблица 1
Усредненное значение реакций, возникающих в опорах для угла поворота стрелы 0°
№ Вылет стрелы, м Реакция Яі, кг Реакция Яг, кг Реакция Яз, кг Реакция Я4, кг Сумма реакций при данном вылете, кг
1 0,696 6,333 6,433 3,200 3,400 19,367
2 0,845 6,833 6,767 2,867 2,800 19,267
3 0,995 7,667 7,133 2,100 2,367 19,267
4 1,145 8,667 7,733 1,400 1,533 19,333
5 1,295 9,067 8,767 0,867 0,633 19,333
6 1,445 9,900 9,267 0,033 0,033 19,233
Реакция, кг
Кі, кг К.2, кг Кз, кг
ШR4, кг
Вылет, м
кг
И2, кг
Из, кг
И., кг
Вылет, м
б
Рис. 3. Изменение реакций (усредненных), возникающих в опорах экспериментальной установки для различных углов поворота стрелы: а - 0°; б - 15°
а
0.696 0.845 0.995 1.145 1.295 1.445
_ _ „ „ Вылет, м
"О-- И1, кг ■ « И2, кг -* - И3, кг —■?*- И4, кг
в
Реакция, кг
1В----------------
16-------------------
14-------------------
12 - -
0.696 0.845 0.995 1.145 1.295 1.445
Иі, кг -и- «2, кг Из, кг -М- «4, кг Вылет' м
г
Продолжение рис. 3. Изменение реакций (усредненных), возникающих в опорах экспериментальной установки для различных углов поворота стрелы: в - 30°; г - 45°
Вычислительный эксперимент проведен для расчетно-статической модели, построенной на основе фактических замеров экспериментальной установки (рис. 4).
а
б
Рис. 4. Расчетно-статическая модель экспериментальной установки для угла поворота стрелы 0°; а — вид сбоку; б — скелетная модель; в — расчетно-статическая модель; 1 — груз; 2 — противовес
Расчет реакций осуществлялся с использованием метода конечных элементов для расчетных положений модели, аналогичных таковым при экспериментальном исследовании. Для сравнения с результатами эксперимента в табл. 2 и на рис. 5 приведены полученные реакции для угла поворота 0°.
Таблица 2
Усредненное значение реакций вычислительного эксперимента для угла поворота стрелы 0°
№ Вылет стрелы, м Реакция Яь кг Реакция Яг, кг Реакция Яз, кг Реакция Я4, кг Сумма реакций при данном вылете, кг
1 0,696 5,58 8,14 2,12 3,28 19,12
2 0,845 6,09 8,89 1,55 2,57 19,1
3 0,995 6,63 9,65 0,99 1,85 19,12
4 1,145 7,15 10,41 0,41 1,13 19,1
5 1,295 7,67 11,17 -0,14 0,42 19,12
6 1,445 8,2 11,94 -0,72 -0,3 19,12
Реакция, кг
Рис. 5. Изменение реакций в опорах расчетно-статической модели экспериментальной установки в зависимости от вылета для угла поворота стрелы 0°
На основании полученных данных произведен расчет и сравнение коэффициентов устойчивости К по формулам (1) и (2) (табл. 3 и рис. 6).
Таблица 3
Сравнение коэффициентов устойчивости, полученных различными методами
Вылет стрелы, м По ГОСТ 13994-81 [Ц Натурный эксперимент Вычислительный эксперимент
JМудерж JМопрокид К Я тт Г» ПШ1 Яг К Я тт Г» пип Яг К
0,696 51,125 18,6 2,749 3,4 6,3 1,53 2,12 5,58 1,38
0,845 51,125 25,197 2,029 2,8 6,8 1,4 1,55 6,09 1,25
0,995 51,125 32,345 1,581 2,1 7,1 1,3 0,99 6,63 1,15
1,145 51,125 40,044 1,277 1,4 7,7 1,18 0,41 7,15 1,06
1,295 51,125 48,294 1,059 0,63 8,7 1,07 -0,14 7,67 0,96
1,445 51,125 57,096 0,895 0,03 9,3 1 -0,72 8,2 0,9
Коэффициент
устойчивости
0,5
С -I-----1------1-----1------1-----1------1----1-------1------1-----1------1------1
0,696 0,845 0,995 1Д45 1,295 1,445
—♦—Нормативный метод Ш Натурный эксперимент —Вычислительный эксперимент '
Рис. 6. Сравнение коэффициентов устойчивости, полученных различными методами
Сравнение результатов эксперимента с расчетом устойчивости по ГОСТ 13994-81 и формуле (2) показало, что нормативный метод дает завышенные результаты при малом вылете грузовой каретки башенного крана и заниженные - при максимальном вылете. Следует отметить, что результаты натурного и вычислительного экспериментов совпали. Совпал и коэффициент устойчивости, полученный нормативным методом, с коэффициентом устойчивости, полученным в ходе вычислительного эксперимента при максимальном вылете стрелы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 13994-81. Краны башенные строительные. Нормы расчета.
2. 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. 37-30.
Статья поступила в редакцию 9.04.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Булатов Булат Лукпанович - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Подъемно-транспортные машины, производственная логистика и механика машин»; bulkama@mail.ru.
Bulatov Bulat Lukpanovich - Astrakhan State Technical University; Master’s Course Student of the Department "Lifting-and-Shifting Machines, Industrial Logistics and Machinery Mechanics"; bulkama@mail.ru.
