CC BY
5
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.86 DOI 10.46689/2218-5194-2022-1-1-210-222
МОДЕРНИЗАЦИЯ КАНАТНО-БЛОЧНОЙ СИСТЕМЫ ДЕРРИК-КРАНА ДК-45/60
П.В. Витчук, Н.Г. Сысенко, Н.А. Витчук, В.Ю. Анцев
Основные механизмы мачтового крана-деррика ДК-45/60 установлены над поверхностью разрабатываемого карьера на высоту рамы и ходовых тележек и разнесены на достаточно большое расстояние в задней части платформы. Это приводит к возникновению повышенных отклонений каната от плоскости симметрии ручья блока и/или от направления навивки на барабане (девиация каната) и, как следствие, крайне негативно влияет на долговечность канатно-блочной системы крана, а, значит, и на его надежность. Предложена модернизация механизма поворота деррик-крана ДК-45/60 по критерию уменьшения девиации канатов. Приведён расчёт углов девиации канатов основных механизмов крана по традиционной и модернизированной схемам. Доказана эффективность применения поворотной платформы в конструкции механизма поворота крана.
Ключевые слова: мачтовый кран, кран-деррик, канатно-блочная система, девиация канатов, проектирование, механизм поворота, модернизация.
Кран мачтовый (деррик-кран) [1-7] (анг. derrick crane; нем. Derrick, Derrickkran; фра. grue-derrick, derrick; исп. grua derrick, grua de brazo giratorio) - разновидность строительных мачтово-стреловых кранов, предназначенных для выполнения подъёмно-транспортных работ на карьерах облицовочного камня, в промышленном строительстве и др. В горной промышленности используется со 2-й половины XIX века.
Основные элементы деррик-крана:
- металлические конструкции в виде мачты, стрелы, стоек-укосин, поворотной платформы;
- механизм подъёма груза, состоящий из грузовой одно- или двух-барабанной лебёдки, поддерживающих и (или) направляющих канатов и их элементов (канатные блоки, поддерживающие скобы и т. п.);
-грузозахватные приспособления (крюк, скоба, захват, ковш и т. д.), подвешиваемые к канату непосредственно или через нижнюю обойму полиспаста;
- механизмы вспомогательных перемещений (подъёма стрелы и поворота крана).
На практике деррик-краны подразделяются на 2 основных типа:
- вантовые - стрела закреплена в мачте, установленная с помощью канатных оттяжек, с возможностью поворота на 240°, реже на 360° и изменять угол наклона к горизонту на 30...75°;
- жестконогие - стрела закрепляется в мачте, установленной с помощью жёстких распорных стоек-укосин, и может поворачиваться и изменять угол наклона к горизонту в тех же пределах, что и вантовый деррик-кран. Длина стрелы деррик-крана 20...40 м, высота мачты 14...20 м.
На карьерах облицовочного камня деррик-краны работают по бестранспортной схеме с верхней погрузкой и перемещением горной массы на борт карьера или на вышележащие горизонты. Возможно использование одно- и двухбортовой схем работ с линейной установкой кранов вдоль фронта (шаг установки деррик-крана как по фронту, так и перпендикулярно к нему равен радиусу действия крана). Грузоподъёмность кранов обычно 15... 30 т. Обслуживаемое рабочее пространство 210... 840 м2. Радиус действия крана при угле наклона стрелы 30° -18...36 м, 75° - 6... 11 м.
Преимущества деррик-крана в сравнении с другими видами подъёмно-транспортного оборудования: снижение стоимости выемочно-погрузочных и транспортных работ в 1,5 - 2 раза; возможность механизации процессов выемки-погрузки и транспортирования горной массы одним видом оборудования; благоприятные возможности для интенсификации выработки карьеров.
Современные деррик-краны, используемые в горнодобывающей промышленности на территории Российской Федерации, представлены в основном жестконогими трёхопорными мачтовыми кранами. Две опоры этих кранов - стойки укосины, закрепленные на специальном бетонном фундаменте, а третья - поворотная платформа, также установленная на бетонный фундамент [8]. На данной платформе расположены и основные механизмы подъёма крана. При таком расположении основные механизмы крана находятся в непосредственной близости к агрессивной поверхности разрабатываемого карьера, что негативно влияет на долговечность и износ элементов этих механизмов.
Рассматриваемый кран ДК-45/60 (рис. 1) частично лишен этих недостатков, поскольку его основные механизмы приподняты над поверхностью разрабатываемого карьера на высоту рамы и ходовых тележек. Однако такое расположение механизмов приводит к разнесению их на достаточно большое расстояние в задней части платформы из соображений компоновки. Это приводит к возникновению повышенных отклонений ка-
ната от плоскости симметрии ручья блока и/или от направления навивки на барабане и усложняет условия запасовки канатов на механизмы в процессе монтажа крана [9]. Такое явление называется девиацией каната. Из [10] известно, что явление девиации каната крайне негативно влияет на долговечность канатно-блочной системы крана, а, значит, и на его надежность.
Поэтому предлагается модернизировать канатно-блочную систему деррик-крана ДК-45/60 по критерию уменьшения девиации канатов в ка-натно-блочной системе всех имеющихся механизмов.
Основные параметры крана: тип - четырёхопорный кран с двумя подкосами; грузоподъёмность Q = 60 т, грузовой момент М = 10800 кН • м, длина стрелы Ьс = 32 м, высота мачты к = 14,71 м, угол поворота мачты наибольший а = 228°(114° +114°), кратность грузового
полиспаста I = 8, кратность полиспаста механизма подъёма стрелы исп = 20. В кране использованы канат диаметром t = 31 мм, барабан диаметром £>б = 2000 мм, с длиной нарезной части #1 = #2 = В = 2000 мм и шагом нарезки t = 35 мм. Для уменьшения ширины колеи (по сравнению с традиционной схемой установки подкосов с углом между ними в 90°) угол подкосов установлен равным 43°. Угол поворота мачты ограничен значением 228° во избежание возникновения чрезмерно больших усилий в подкосах.
Схема запасовки каната механизма подъёма груза, механизма изменения вылета стрелы и механизма поворота, представлены на рис. 2-4 соответственно (обозначения на рисунках приведены в тексте).
Рис. 1. Деррик-кран ДК-45/60 [3]
а) б)
Рис. 2. Схема канатно-блочной системы механизма подъёма груза: а - вид в плане; б - вид сбоку; в - схема крюковой подвески при минимальной высоте подъёма; г - то же при максимальной
высоте подъёма
а
б
в г
Рис. 3. Схема канатно-блочной системы механизма изменения вылета стрелы: а - вид в плане; б - вид сбоку; в - схема поддерживающих подвесок при максимальном вылете стрелы; г - то же при минимальном вылете
б
Рис. 4. Схема канатно-блочной системы механизма поворота:
а - вид сбоку; б - вид в плане
Определим основные виды девиации каната, происходящие в базовой и в модернизированной канатно-блочных системах крана. Согласно [10] в рассматриваемом кране будут иметь место следующие виды девиации каната.
Механизм подъёма груза (рис. 2): при набегании каната на барабан (Р1), при набегании каната на грузовую подвеску; девиация каната между грузовой подвеской и подвеской, установленной на стреле; девиация от косого подъёма груза, крутящего момента и перекоса подвески в результате смещения приведенного центра тяжести стрелы с грузом.
Механизм изменения вылета стрелы (рис. 3): при набегании каната на барабан механизма подъёма стрелы (Р2); девиация каната между подвеской оголовка мачты и подвески, крепящейся к оголовку стрелы (у 2); девиация от смещения подвески в результате смещения приведенного центра тяжести стрелы и груза (при косом подъёме).
Девиации каната от косого подъёма груза, крутящего момента и перекоса подвески в результате смещения приведенного центра тяжести стрелы с грузом в данной работе не рассматривались, поскольку они не является девиациями, которые можно предотвратить на этапе проектирования. Данные виды девиации носят эксплуатационный характер и должны учитываться при разработке технических условий ведения работ с использованием данного крана.
Механизм поворота (рис. 4): девиация каната при набегании на барабан механизма поворота; девиация на обводных блоках.
Поскольку в реальных конструкциях канат не набегает на поверхность барабана или блока по средневинтовой линии, требование работоспособности всей канатно-блочной системы по критерию уменьшения девиации канатов будем сводить к ограничению угла отклонения набегающей на барабан ветви каната от идеального её направления у.
Рекомендации, ограничивающие значения углов девиации [10-12]:
В
- для гладких цилиндрических барабанов: tgу < — < 0,025,
2 А
- для барабанов с винтовой канавкой: tgу < 0,1,
где В - ширина нарезной части барабана, А - проекция длины каната от точки набегания на барабан до точки набегания на блок.
Это соответствует у< 1,45° и у < 6° соответственно,
Расчет углов девиации каната на механизмах крана [10]
Механизм подъема груза (рис. 2, а)
Угол девиации на барабане
об В ^ 2000 35
Вб =—^ +-=-+-= 0,06 рад = 3,44°,
1 2Ь11 лОб 2-18300 л-2000
где Ьц - фактическая длина каната, полученная при трёхмерном моделировании крана по его исходным габаритным параметрам.
Угол девиации на отклоняющем блоке
о об В1 200° а л„ о л со
В1 =—— =-= 0,055 рад = 3,15°.
1 2Ь11 2-18300
Блоки А и В расположены таким образом, что канат между ними проходит по прямой линии (рис. 2, б). Поэтому девиацией каната между этими блоками можно пренебречь.
Девиация канатов на блоках грузовой подвески при нахождении грузозахватного устройства на минимальной высоте подъема (рис. 2, в):
В ос
71 тт =-б— =-= 0,00156 рад = 0,09°,
71т1п 2Ь1зтах 2 - 30400 , р , ,
где Вб = 95 мм - ширина отклоняющего блока, которую здесь и далее принимаем постоянной; Ь1зтах - конструктивное максимально возможное расстояние между осью поддерживающей подвески, установленной на стреле крана и грузовой подвески грузозахватного устройства.
При нахождении грузозахватного устройства на максимальной высоте подъема
О ПС
71 тах =-б— =-= 0,0226 рад = 1,29°,
71тах 2ЬВт1П 2 - 2100 • р • •
где Ь1зт1п - конструктивное минимально возможное расстояние между осью поддерживающей подвески, установленной на стреле крана и грузовой подвески грузозахватного устройства.
Исходя из результатов расчёта углов девиации каната в механизме подъема, можно сделать выводы.
1. Варьируя длиной каната от барабана до места расположения блоков на мачтовой подвеске, возможно существенно уменьшить угол девиации как на барабане механизма подъёма, так и отклоняющем блоке. На стадии проектирования этого можно добиться, например, варьируя параметрами самой стреловой системы [13-15]. Использование предложенных методики в совокупности с проектированием канатно-блочных систем механизмов крана по критерию уменьшением девиации канатов могут повысить надежность не только элементов канатно-блочной системы крана, но и его надёжность в целом.
2. На девиацию каната на грузовой и поддерживающей подвеске существенное влияние также оказывает длина поддерживающей подвески. Уменьшив длину поддерживающей подвески, можно увеличить расстояние между блоками грузовой и поддерживающей подвесок, тем самым уменьшив угол девиации.
3. Углы девиации канатов механизма подъёма находятся в пределах допуска.
Механизм изменения вылета стрелы (рис. 3, а)
Угол девиации на барабане механизма
пб В2 г 2000 35
В2 =—^ +-=-+-= 0,0552 рад = 3,16°,
2 2Ь21 лВб 2 - 21100 л-2000
где ¿21 - фактическая длина каната, полученная при трёхмерном моделировании крана по его исходным габаритным параметрам. Угол девиации на отклоняющем блоке
р°б = = = 0,0496 рад = 2,84°.
1 2Ьп 2 - 21100
Кратность стрелового полиспаста механизма изменения вылета стрелы в ходе расчёта была принята исп = 20, что означает что между точками А и B имеется 10 блоков. Для упрощения схемы механизма, показана только ее часть (рис. 3 а, в, г).
Для максимального вылета стрелы
в дс
у2шт =--— =-= 0,00192 рад = 0,11°,
2^22тах 2 - 24000 , р , ,
где ¿22 тах - конструктивное максимально возможное расстояние между осью подвески, установленной мачте крана, и подвески, установленной на стреле, для связи с мачтовой подвеской. Для минимального вылета стрелы
О ПС
у 2тах =-6— =-= 0,00572 рад = 0,33°,
' 2^2тт 2 - 8300 , рад , ,
где ¿22 тт - конструктивное минимально возможное расстояние между осью подвески, установленной мачте крана, и подвески, установленной на стреле, для связи с мачтовой подвеской.
Девиация каната в механизме изменения вылета стрелы существенно меньше рекомендуемого значения [10-12], то есть данный механизм можно не модернизировать по критерию уменьшения девиации каната. Механизм поворота (рис. 4, а) Угол девиации каната на отводном блоке 5.
В ходе проектирования были определены следующие параметры: диаметр канатного блока 2 (рис. 4, б) В = 6000 мм, расстояние от точки крепления блока 5 до точки схода каната с блока 2: ¿о = 11900 мм, расстояние от точки схода каната с блока 2 до вертикальной оси отводного блока 5: Во = 2900 мм.
у3 = = = 0,244 рад = 14°. 3 Ьо 11900
Угол девиации каната на отводном блоке 6.
Конструктивно блок 6 можно установить так, чтобы канат был установлен между блоками 5 и 6 по прямой линии. В этом случае девиацией каната между блоками 5 и 6 можно пренебречь
Угол девиации каната на барабане механизма поворота 4.
Примем расстояние от блока 6 до барабана механизма поворота равным высоте мачты крана (с учетом расположения блока 6 ниже мачты на расстояние, примерно равное расстоянию от барабана до опорной платформы крана) к = 14,71 м. Для механизма поворота были выбраны канат диаметром й = 5,8 мм, барабан диаметром Бз = 450 мм, с длиной нарезной части В = 1500 мм и шагом нарезки £ = 6,5 мм.
Тогда с учетом того, что в механизме поворота использован сдвоенный барабан, угол девиации каната на барабане составит
б 2В £ 1500 6,5 Л1„Л
уб =-+-=-+ —-— = 0,129 рад = 7,43°,
3 2Ь3 иБ3 12300 и-300
где Ь - конструктивная длина каната, полученная при трёхмерном моделировании крана по его исходным габаритным параметрам.
Как можно заметить, значения углов девиации, полученные при расчете существующего механизма поворота крана ДК-45/60, превышают рекомендуемое значение [10-12]. Данный факт уже на этапе проектирования носит отрицательный характер и может оказать негативное влияние на долговечность элементов канатно-блочной системы механизма поворота.
Для уменьшения углов девиации канатов механизма поворота крана предлагается его модернизировать следующим образом - исключить систему отводных блоков 5 и 6 (рис. 4) и установить барабаны механизма поворота непосредственно на опорную раму крана (рис. 5, 6). Механизмы поворота крана при этом варианте можно расположить таким образом, чтобы канат, сбегающий с канатного блока, набегал в горизонтальной плоскости по касательной к средневинтовой линии нарезки барабана. Регулировка этого набегания осуществляется набором подкладок под элементы механизма поворота.
Рис. 5. Модернизированная схема механизма поворота
При такой компоновке угол девиации каната на отводном блоке механизма поворота будет равен 0, а на барабане составит
„ В3 г 1150 6,5 р3 = — + '
= 0,059 рад = 3,4е
Ь3 кБ3 2 -10500 к- 450 где В3 - ширина барабана модернизированной схемы поворота крана; Ьз -конструктивное расстояние между осью канатного блока и осью барабана механизма поворота.
Модернизированная конструкция крана ДК-45/60 изображена на рис. 6. В данной конструкции из механизма поворота крана 4 исключены отводные блоки, а сам механизм размещен на ходовой раме 1. Механизмы подъема груза и изменения вылета стрелы 2 установлены на специальную раму 3, жестко соединенную с опорно-поворотным кругом 5. При таком положении оба этих механизма подняты над поверхностью карьера на высоту более 4 метров.
Рис. 6. Модернизированный деррик-кран ДК-45/60
Предлагаемая модернизации не только способствует уменьшению девиации и, как следствие, уменьшению износа каната, но и способствует меньшему загрязнению элементов основных механизмов крана. Это является особенно актуальным вопросом для горнодобывающей промышленность, с точки зрения повышения долговечности используемой техники.
Список литературы
1. Межгосударственный стандарт. Краны грузоподъемные. Термины и определения [Электронный ресурс]. URl: https://docs.cntd.ru /document/ 1200005315 (дата обращения: 01.11.2021).
2. Межгосударственный стандарт. Краны мачтовые. Требования безопасности [Электронный ресурс]. URl: https://docs.cntd.ru/ document/ 1200011907 (дата обращения: 01.11.2021).
3. Вейнблат Б.М., Елинсон И.И., Каменцев В.П. Краны для строительства мостов. М.: Транспорт, 1988. 240 с.
4. Деррик-кран [Электронный ресурс]. URl: http://www.mmmg-enc.ru/d/derrik-kran/ (дата обращения: 01.11.2021).
5. HSS SL150 150-Ton Stiffleg Derrick Crane For Sale [Электронный ресурс]. URl: https://cranemarket.com/hss-sl 150- 150-ton-stiffleg-derrick-crane-for-sale-id8928 (дата обращения: 01.11.2021).
6. Сероштан В.И., Головин А.И., Ивахник В.Г. Кран-деррик КД 30/50 // Подъемно-транспортное дело, 2002. №1-2. С. 8-9.
7. Деррик-кран 25 тонн [Электронный ресурс]. URl: https://giraffecrane.ru/catalog/machtovye-krany/derrik-kran/ (дата обращения: 01.11.2021).
8. Кобзев А.П., Кобзев Р.А. Специальные краны: уч. пособие. Старый Оскол: ТНТ, 2014. 472 с.
9. Коноплев В.И., Анцев В.Ю. Устройство для предотвращения закручивания канатов при запасовке полиспастов механизмов крана // Автоматизация. Современные технологии, 2015. № 5. С. 3-6.
10. Ивашков Н.И. Влияние девиации и кручения канатов на работу крановых канатных систем: дис. ... канд. техн. наук. М., 1988. 273 с.
11. Глушко М.Ф. Стальные подъёмные канаты: учеб. пособие. Киев: Техника, 1966. 327 с.
12. Малиновский В.А. Стальные канаты. Одесса: Астропринт, 2001. Т. 1. С. 188.
13. Модернизация стрелового устройства крана-деррика КД 30/50 / П.В. Витчук, П.Р. Гнатюк, Н.А. Витчук, Г.В. Шадский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. №. 3. С. 152-156.
14. Методика оптимального проектирования прямых уравновешенных стрел с уравнительными полиспастами с разнесенными блоками / П.В. Витчук [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. №. 4. С. 83-90.
15. Коноплев В.И., Анцев В.Ю., Воробьев А.В. Крюковая подвеска с устройством для предотвращения падения груза при обрыве каната в полиспасте // Автоматизация. Современные технологии. 2020. Т. 74. № 2. С. 61-63.
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доц., Vitchuk@bmstu.ru , Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Сысенко Никита Григорьевич, лаборант, nikita.sisenko@,gmail.com, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Витчук Наталья Андреевна, канд. техн. наук, ассист., Vitchuk.Natalya@,mail.ru , Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, anzev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODERNIZATION OF ROPE AND BLOCK SYSTEM OF DERRICK CRANE DK-45/60 P.V. Vitchuk, N.G. Sisenko, N.A. Vitchuk, V.Yu. Antsev
The main mechanisms of the DK-45/60 mast derrick crane are installed above the surface of the quarry being developed to the height of the frame and running carts and spaced a fairly large distance in the rear of the platform. This leads to increased deviations of the rope from the plane of symmetry of the block groove and / or from the direction of winding on the drum (rope deviation) and, as a result, has an extremely negative effect on the durability of the rope-block system of the crane, and, therefore, on its reliability. The modernization of the turning mechanism of the DK-45/60 derrick crane according to the criterion of rope deviation reduction is proposed. The calculation of the deviation angles of the ropes of the main mechanisms of the crane according to the traditional and modernized scheme is given. The effectiveness of the use of a turntable in the design of the crane turning mechanism has been proven.
Key words: mast crane, derrick crane, rope block system, rope deviation, design, turning mechanism, modernization.
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, Vitchuk@,bmstu.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University, Kaluga Branch,
Sisenko Nikita Grigorevich, laboratory assistant, nikita.sisenko@,gmail.com , Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University, Kaluga Branch,
Vitchuk Natalia Andreevna, candidate of technical sciences, assistent of department, vitchuk.natalya@,mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky,
Anzev Vitaliy Jur'evich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, Anzev@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
References
1. Interstate standard. Lifting cranes. Terms and definitions. [electronic resource]. URL: https://docs.cntd.ru /document/ 1200005315 (accessed: 01.11.2021).
2. Interstate standard. Mast cranes. Security requirements. [electronic resource]. URL: https://docs.cntd.ru / document/ 1200011907 (accessed: 01.11.2021).
3. Veinblat B.M., Elinson I.I., Kamentsev V.P. Cranes for bridge construction. Moscow: Transport, 1988. 240 p.
4. Derrick crane. [electronic resource]. URL: http://www.mining-enc.ru/d/derrik-kran / (accessed: 01.11.2021).
5. HSS SL150 150-Ton Stiffleg Derrick Crane For Sale. [electronic resource]. URL: https://cranemarket.com/hss-sl150- 150-ton-stiffleg-derrick-crane-for-sale-id8928 (date of reference: 01.11.2021).
6. Seroshtan V.I., Golovin A.I., Ivakhnik V.G. Crane-derrick CD 30/50 // Lifting and transport business, 2002. No.1-2. pp. 8-9.
7. Derrick crane 25 tons. [electronic resource]. URL: https://giraffecrane.ru/catalog/machtovye-krany/derrik-kran / (date of reference: 01.11.2021).
8. Kobzev A.P., Kobzev R.A. Special cranes: textbook. Stary Oskol: TNT, 2014.
472p.
9. Konoplev V.I., Antsev V.Yu. A device for preventing twisting of ropes during stocking of crane mechanisms' spasts // Automation. Modern Technologies, 2015. No. 5. pp. 3-6.
10. Ivashkov N.I. The influence of rope deviation and torsion on the operation of crane rope systems: dis. ... Candidate of Technical Sciences. M. 1988. 273 p.
11. Glushko M.F. Steel lifting ropes: textbook. Kiev: Technika, 1966. 327 p.
12. Malinovsky V.A. Steel ropes. Odessa: Astroprint. 2001. Vol. 1. p. 188.
13. Modernization of the boom device of the crane-derrick CD 30/50 / P.V. Witchuk, P.R. Gnatyuk, N.A. Witchuk, G.V. Shadsky // Proceedings of the Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 3. pp. 152-156.
14. Methodology of optimal design of straight balanced arrows with equalizing polispasts with spaced blocks / P.V. Witchuk [et al.] // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 4. pp. 83-90.
15. Konoplev V.I., Antsev V.Yu., Vorobyov A.V. Hook suspension with a device to prevent a load from falling when a rope breaks in a polyspast // Automation. Modern technologies. 2020. Vol. 74. No. 2. pp. 61-63.
