CC BY
343
УДК 621.863.2
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В УКРАИНЕ КОВАНЫХ (ШТАМПОВАНЫХ) КРЮКОВ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ПО ЕВРОПЕЙСКИМ СТАНДАРТАМ
О.В. Григоров, профессор, д.т.н., Национальный технический университет, «ХПИ», Э.И. Сердюков, директор, Л.М. Степочкин, к.т.н., консультант, ЦДС «Тиск», г. Харьков
Аннотация. Показаны возможности применения в Украине кованых крюков, изготавливаемых по европейским стандартам.
Ключевые слова: крюк, стандарт, штамповка, кран.
Введение
В статье выполнено сравнение крюков грузоподъемных машин, изготавливаемых по нормативным документам Германии, и нормативным документам, действующим в Украине.
Рассмотрение стандартов Германии DIN по крюкам связано с тем, что они наиболее распространены в грузоподъемных машинах, поставляемых в Украину, широко применяются в Европе и согласуются со многими европейскими стандартами. По линии FEM они являются общеевропейскими стандартами.
Анализ публикаций
В 90-х годах в Украину было ввезено около 100 талей фирмы Подэм (Болгария), в которых используются крюки по DIN. Имеется более чем десятилетний положительный опыт эксплуатации мостовых кранов фирмы Mannesman Demag (Германия) на заводе ферросплавов в г. Запорожье. Для обслуживания технологических процессов в здании хранения жидких технологических отходов (ХЖТО) Чернобыльской АЭС предназначены краны грузоподъемностью 6,3 т и 5 т, изготовленные фирмой Smiedl GmbH (Германия) с использованием талей фирмы ABUS. Мостовые краны ABUS г.п. 12,5 т и 5 т, установлены на фирме «Альянс» в г. Днепропет-
ровске. В Киеве с 1997 г эксплуатируется на открытой эстакаде магнито-грейферный кран грузоподъемностью 12,5/10 т фирмы VIGORLAT (Словакия). Эта же фирма выполнила в 1997 г. реконструкцию козлового крана грузоподъемностью 12,5/10 т для Одесского припортового завода с заменой грузовой тележки. В последние годы в Украину ввезен ряд мощных гусеничных кранов фирмы Manitovoc (США) грузоподъемностью до 100 - 250 т с длинами стрел до 85 м с возможностью установки гуськов длиной до 45 - 60 м, предназначенных для монтажных работ.
Крюки этих кранов близки по параметрам к крюкам по DIN. В ближайшее время предполагается поставка тяжелых пневмоколесных кранов Grove европейского отделения Manitovoc Crane Group Germani. Наращивается объем поставок строительных башенных кранов, особенно высотных приставных, китайского, французского и итальянского производства. Такой поток зарубежных грузоподъемных машин обуславливает более детальный анализ и необходимость сравнения с нормативными документами, действующими в Украине, не только конструкций кранов в целом, их приводов, тормозов, применяемых материалов и т.д., но и специальных крановых деталей, в частности крюков. Сравнение стандартов Украины и Германии [1 - 8] показывает, что:
1. Диапазоны грузоподъемностей крюков по DIN и ГОСТ значительно отличаются. Для однорогих крюков по DIN он находится в пределах 0,1 - 500 т, крюков по ГОСТ -
0,4 -100 т. Для двурогих крюков эти пределы составляют соответственно 0,1 - 500 т и 8 - 100 т. Номенклатура крюков отличается значительно меньше: 30 номеров однорогих и 24 двурогих крюков по DIN и 26 номеров однорогих и 14 двурогих крюков по ГОСТ. Большой диапазон грузоподъемностей крюков по DIN обусловлен, прежде всего, тем, что здесь предусмотрено пять классов прочности - M, P, S, T и V, в то время как для крюков по ГОСТ - один. Это позволяет широко изменять грузоподъемность крюка в зависимости от условий работы. Например, крюк № 20 по DIN имеет 10 фиксированных значений грузоподъемности, которая изменяется от 12,5 т до 100 т, то есть в 8 раз. Такой диапазон сохраняется практически для всех номеров. Для крюков по ГОСТ он очень незначителен: 12,5 - 20 т для крюка №19 (различие в 1,6 раза - максимальное, с учетом крюков для ручного привода), 80 - 100 т для крюка № 26 (различие в 1,25 раза - типовое, только два фиксированных значения). Это значит, что там, где при различных условиях работы и различных грузоподъемностях можно обойтись, например, крюком № 20 по DIN, нужно применять 4 - 5 типоразмеров крюков по ГОСТ.
2. Значительно отличаются массы и размеры крюков по DIN и ГОСТ одинаковой грузоподъемности при одинаковых условиях работы. Например: для класса V и группы классификации механизма подъема М3 по ISO 4301/1 [9]. В DIN 15 400 используются группы классификации механизмов по FEM. Соответствие этой классификации ISO 4301/1 приведено ниже в табл. 1 [10]:
- при грузоподъемности 100 т крюк по DIN (№ 20), примерно, в 5 раз легче крюка по ГОСТ (№ 26). Габарит крюковой части мень-
ше, примерно, в 2 раза, толщина крюка - в 1,4 раза;
- для класса S и группы классификации М4 при грузоподъемности 50 т крюк по DIN (№20), примерно, в 2,5 раза легче крюка по ГОСТ (№ 23). Габарит крюковой части меньше, примерно, в 1,5 раза, толщина, практически, одинаковая;
- для класса M и группы классификации М6 при грузоподъемности 20 т крюк по DIN (№20), примерно, на 20% тяжелее крюка по ГОСТ (№19). Габарит крюковой части больше, примерно, на 20%, толщина - на 36%. Такие же результаты сравнения получаются для класса M и группы классификации М7 при грузоподъемности 16 т;
- для класса М и группы классификации М8 при грузоподъемности 80 т, максимальной для крюков по ГОСТ этой группы классификации, крюк по DIN (№ 125) тяжелее крюка по ГОСТ (№ 26) в 2,7 раза. Габарит крюковой части больше, примерно, в 1,2 раза, толщина - в 1,8 раза. Для группы классификации М7 при грузоподъемности 80 т крюк по DIN (№100) тяжелее крюка по ГОСТ (№ 26) в 1,9 раза. Для класса М и группы классификации М8 при грузоподъемности 0,25 т, минимальной для крюков по ГОСТ, крюк по DIN (№04) тяжелее крюка по ГОСТ (№ 1) в 5,8 раза.
То есть при легких условиях работы крюки по DIN намного легче и меньше крюков по ГОСТ, при средних - легче примерно в 2 раза. При тяжелых условиях работы картина обратная - крюки по ГОСТ легче крюков DIN, особенно при минимальных и максимальных грузоподъемностях.
Целью данного сравнения было не определение экстремальных различий, а качественная оценка расхождений массы и размеров крюков.
3. Для изготовления крюков по DIN применяются стали легированные хромом, никелем, молибденом, в то время как крюки по ГОСТ изготавливаются только из стали 20 или ее заменителя стали 20Г (требование ГОСТ 2105). В крюках по DIN используются стали 34CrNiMo6 (аналог по ГОСТ - стали 38Х2Н2МА и 34ХН1М), 34 CrMo4 (аналог
Таблица 1 Классификация механизмов
* *■ V V ч HDm ч 1СШ 1Bm 1Am 2m 3m 4m 5m
с с зЫ1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8
E-F
Рис. 1. Однорогий крюк формы RSN
Сталь 35ХМ), St E355 (аналог Сталь 16ГФ), St E420 (аналог Сталь 16Г2АФ), стали 30CrNiMo8, St E590 и St E285, не имеющие аналогов по ГОСТ. Аналоги сталей определялись по [11]. Последняя сталь и сталь St E355 применяются для крюков интенсивно нагруженных кранов металлургического и прокатного производства, сталь 30CrNiMo8 -только для тяжелых крюков № 50 - 250 класса прочности V.
Следует отметить, что более прочные стали, используется для крюков менее нагруженных механизмов, то есть механизмов с меньшей группой классификации. Это позволяет сделать их намного легче, что особенно актуально для стреловых кранов. Снижение массы крюков достигается и за счет применения оптимальной формы поковок. В наших крюках вертикальные и горизонтальные расчетные поперечные сечения зева крюка одинаковы, в крюках по DIN горизонтальное поперечное сечение, где действует максимальный изгибающий момент, существенно больше вертикального, а сечение зева плавно увеличивается от вертикального к горизонтальному. В крюках формы RSN (одна из трёх форм крюков по DIN 15401, часть первая) применятся также уменьшение (сужение) сечений в зоне нейтральной оси (рис. 1).
Рациональному конструированию крюков по DIN способствуют различные напряжения в опасных сечениях, зависящие от класса прочности, группы классификации и № крюка, и нормированные, как и методика расчета, DIN 15400. Причем, размеры и материал крюков подобраны так, что соотношения между действительными напряжениями (максимальными теоретическими при максимальной нагрузке) и пределом текучести от сохраняются примерно одинаковыми для одинаковых групп классификации и практически не зависят от класса прочности крюков. Для группы классификации М3 максимальные напряжения от изгиба в кованых крюках (№№ 6...250) примерно равны От/1,2, для М6 - 0/2,5, для М7 - от/3, для М8 -от/3,8. В штампованных крюках (до №006. 6) они линейно снижаются и составляют для крюка № 006 От/3,5.. От/9 .10.
Действительные напряжения растяжения в минимальном сечении резьбовой части крюков №№ 6.250, в которых применяется круглая резьба, для тех же групп классификации соответственно равны: 0/2,7, От/5,3,
от/6,7, от/8,3, то есть примерно вдвое меньше напряжений изгиба. Для крюков меньших размеров, в которых применяется метриче-
ская резьба, они также линейно снижаются и доходят до 6.50 Н/мм2 (От/40... От/13).
Для сравнения приведем допускаемые напряжения, рекомендуемые в нашей литературе [15]. При изгибе группы классификации М3 соответствует от/1,05; М4-М6 - от/1,3; М7, М8 - От/1,64. При растяжении для всех групп классификации М3-М8 допускаемые напряжения принимаются равными от/1,5. То есть, как видим, у нас используется совершенно иная концепция конструирования крюков.
4. Применение исключительно стали 20 для отечественных крюков связано, по-видимому, с излишней консервативностью отечественной подъемно-транспортной техники и стагнацией начиная с середины 80-х годов прошлого века промышленности стран СНГ.
Здесь есть ряд вопросов.
1) ГОСТ 2105 [1] требует (п. 1.4), чтобы крюки после ковки и штамповки были нормализованы. Предел текучести после нормализации - 220-250 Н/мм2. Предел текучести немецких легированных сталей, использующихся в крюках по DIN, - 235- 620 Н/мм2, то есть, в основном, существенно выше. Но есть неувязка по нормам ударной вязкости.
ГОСТ 2105 регламентирует ударную вязкость ~ 50 Дж/см2 (вероятно КСи, измеренную на образцах типа 1 по ГОСТ 6454 [13] с ^-образным концентратором при положительной температуре) и оговаривает ударную вязкость ~ 30 Дж/см2 при температуре минус 40 °С. DIN 15 400 [4] регламентирует ударную вязкость ISO-V для образцов с F-образным концентратором только для температуры минус 20 °С. Для сталей, использующихся в крюках классов прочности M, P, S, T, она равна 39 Дж, что соответствует ~ 49 Дж/см2 КСУ, для сталей, использующихся в крюках классов прочности S, T, V, - 27 Дж (~ 34 Дж/см2 KСV). Как справочные, приведены значения ударной вязкости при температуре плюс 20° С: 55 Дж (69 Дж/см2) и 3530 Дж (44-37,8 Дж/см2) соответственно. Перевод осуществлялся по формуле: КСУ Дж/см2 = 9,81/7,847 ISO-V Дж (см. [4, 13, 14]). Зависимости, использующиеся в [4] для перевода из DVM в ISO-V, на наш взгляд не вполне корректны, так как они учитывают только различие рабочих поперечных сечений и не учитывают форму концентратора испытываемого образца. Образцы DVM с
^-образным надрезом аналогичны образцам типа 1 по ГОСТ 9454 [13], но глубина надреза в них на 1 мм больше.
2) Ударные вязкости KСV и КСи несопоста-
вимы (нет переводных таблиц). Можно только констатировать, что испытания образцов с V-образным надрезом являются более
жесткими, чем с ^-образным надрезом, поэтому численному значению KСV соответствует некоторое б0льшее (часто значительно б0льшее) значение КСи. Попытка широкого внедрения в СССР контроля ударной вязкости по КСУ оказалась неуспешной из-за сложности серийного освоения выпуска инструмента для выполнения на испытуемых образцах
V-образного надреза.
3) Согласно ГОСТ на сталь 20 [18] предел текучести поковок после нормализации находится в диапазоне 175-215 Н/мм2, а КСи -49-64 Дж/см2. Ударная вязкость стали 20 после нормализации составляет: при плюс 20 °С - 157 Дж/см2, при минус 40 °С - 86 Дж/см2, при минус 60° С - 15-38 Дж/см2. В этой связи неясен источник данных ГОСТ 2105 и неясно почему именно 30 Дж/см2 лимитируется при температуре минус 40 °С. Дело в том, что крюки по ГОСТ использовались в кранах исполнения ХЛ, работающих при температурах до минус 65 °С, и нареканий не было, хотя ударная вязкость могла быть ниже 15 - 38 Дж/см2.
По-видимому, это можно объяснить сравнительно низкими по отношению к пределу текучести фактическими напряжениями, отсутствием существенных ударных нагрузок и отсутствием значительных концентраторов напряжений. В этой связи целесообразно отметить, что в крюках по DIN, начиная с № 6 (грузоподъемность 6 - 32 т), вместо метрической применяется круглая резьба (рис. 2), которая гораздо меньше склонна к образованию микроконцентраторов напряжений. Можно предположить, что для исполнения ХЛ применялись крюки из стали 20Г, имеющей значительно большие значения ударной вязкости при низких температурах, чем сталь 20 (см. рис. 3), но в ГОСТ 2105 это не оговаривается.
4) Испытания образцов по DIN при минус 20° С связаны, по-видимому, с тем, что это критическая температура для Германии.
d1
Z3T
б
_da.
Рис. 2. Резьбы хвостовиков: а - круглая, для крюков №6.250; б - метрическая, для крюков №005 .5
Ударная вязкость приведенных выше немецких сталей и заменяющих их наших сталей
может быть значительно повышена, так как она зависит от режима термообработки. Об этом свидетельствует и превышения, иногда значительные, фактических (т. е полученных при контрольных испытаниях) значений ударных вязкостей над нормативными. Например, в некоторых сертификатах на крюки кранов, поставленных в Украину, при норме 27 Дж фактические значения ударной вязкости были равными 31, 33, 45 и даже 117 Дж. DIN 15404 [12] предусматривает возможность поставки крюков для эксплуатации и при температурах ниже минус 20° С с соответствующим проведением испытаний на ударную вязкость при предполагаемой температуре эксплуатации. В одном из сертификатов на крюк такие результаты приведены. Интересно отметить, что здесь применена такая же указанная выше сталь 34CrNiMo6, но ее фактическая ударная вязкость ISO-V
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости для различных сталей от температуры: 1 - сталь 20, нормализация; 2 - сталь 38Х2Н2МА (аналог стали 34 Сг№Мо6), закалка 8600 С, отпуск 5600 С, сечение 80 мм; 3 - то же, сечение 120 мм; 4 - то же, сечение 200 мм; 5 - допустимая граница ударной вязкости по ГОСТ 2105; 6 - сталь ХН1М (заменитель стали 38Х2Н2МА) закалка в воде купанием, отпуск 620-6400 С, сечение 200 мм; 7 - сталь 16Г2АФ (аналог стали St
а
E420); 8 - сталь 20Г, закалка 8900 С, отпуск 6500 С; 9, 10 - допустимые границы ударной вязкости крюков на DIN 15400
Примечание. Графики 9, 10 показаны условно при минус 40° С составляла 30 - 38 Дж. Как видим, в заказе можно оговаривать температурные условия работы крюка. Вероятно, он будет дороже (спецзаказ) и вопрос в том целесообразно ли это?
5) ГОСТ 13556 [16] требует обеспечение работы кранов в климатическом исполнении У1 при температуре от плюс 40° С до минус 40° С (п. 2.1.2).
Для Украины, на наш взгляд, стандарт в этой части устарел, так как климат Украины мягче климата СССР. Большая часть Украины находится в зоне умеренно теплого климата (представительный пункт Киев). Для Киева, например, где устанавливаются сейчас большое количество зарубежных башенных кранов, согласно данным табл. 4 и 6 ГОСТ 16350 [17] средняя суточная температура воздуха в диапазоне от минус 20° до минус 29° С бывает не более одного дня в году, а абсолютный минимум отрицательных температур равен минус 32° С.
Южная часть Украины находится в зоне умеренно теплого климата с мягкой зимой (представительный пункт Одесса). Здесь абсолютный минимум отрицательных температур равен минус 28° С, а средняя суточная температура воздуха в диапазоне от минус 20° до минус 28° С бывает не более 0,3 дня в году.
Температура в течение суток, конечно, может быть ниже среднесуточной. Однако учитывая, что пик отрицательной температуры приходится обычно на ночное время, и ориентируясь на абсолютный минимум температур, можно считать вполне реальными перерывы в работе при температурах ниже минус 20° С, особенно для строительных и монтажных кранов. В целях безопасности их можно снабжать соответствующими температурными датчиками, освоенными нашей промышленностью, которые блокируют работу крана, если температура воздуха выходит за допустимый предел.
Если все же есть необходимость работать при температуре ниже минус 20° С, то нужно комплектовать кран крюком с соответствую-
в значениях КСУ
щей ударной вязкостью. На рисунке 3 приведены графики ударных вязкостей для различных сталей, которые могут помочь в оценке соответствия фактической ударной вязкости крюка требуемой. Графики построены по данным [18], при этом полагалось, что ударные вязкости КСи приведены в [18] для образцов типа 1 по ГОСТ 9454 [13].
Может сложиться впечатление о возможности или целесообразности идентификации украинского и западноевропейского климата в отношении условий эксплуатации кранов. Это не так. Климат Украины жестче. Но принятые сейчас две большие градации температурных условий до минус 20° С и минус 40° С также нежелательны. Вероятно, нам нужно перейти на два других уровня, например, минус 20° С и минус 30° С. Конечно, этот вопрос требует дополнительного обсуждения, так как касается в первую очередь работы сварных крановых металлоконструкций и выходит за рамки данной статьи.
Выводы
1. Кованые и штампованные крюки по стандартам DIN можно и целесообразно применять в Украине, однако необходимо, чтобы к паспорту на кран прилагались сертификаты соответствия на крюки, с характеристиками применяемой стали, в том числе с данными по ударной вязкости. Форма сертификатов нормирована в [12].
2. Для кранов, которые должны работать при температурах ниже минус 20° С, целесообразно заказывать специальные крюки с контролем ударной вязкости при требуемой температуре эксплуатации и указанием результатов контроля в сертификате на крюк. В отдельных случаях (например, если кран уже закуплен и поставлен в Украину) можно ориентироваться на данные рис. 3.
3. Целесообразно введение в Украине европейских стандартов по крюкам, например DIN, возможно, с заменой немецких сталей, на стали, изготавливаемые в Украине, или введением таблиц их соответствия, а также с уточнением требований по ударной вязкости
при температурах эксплуатации ниже минус 20° С. Однако последнее требует дополнительного анализа и обсуждения.
Стандарты в Украине носят сейчас добровольный статус, и целесообразно на некоторый период оставить, как параллельно действующие, существующие ГОСТы на крюки для постепенной адаптации нашей промышленности.
Литература
1. ГОСТ 2105-75 Крюки кованые и штампо-
ванные. Технические условия.
2. ГОСТ 6627-74 Крюки однорогие. Заготов-
ки. Типы. Конструкции и размеры.
3. ГОСТ 6628-73 Крюки двурогие. Заготовки.
Типы. Конструкции и размеры.
4. DIN 15400/06.90 Lasthaken für Hebezeuge;
Mechanische Eigenschaften, Werkstoffe, Tragfähigkeiten und vorhandene Spannungen (DIN 15400/06.90 Грузовые крюки для подъемных устройств. Механические свойства, материалы, грузоподъемности и действительные напряжения).
5. DIN 15401/11.82 Teil 1 Lasthaken für Hebe-
zeuge; Einfachhaken; Rohteile (DIN 15401/11.82 Часть 1 Грузовые крюки для подъемных устройств. Однорогие крюки. Заготовки).
6. DIN 15401/09.83 Teil 2 Lasthaken für Hebe-
zeuge; Einfachhaken; Fertigteile mit Ge-windenschaft (DIN 15401/09.83 Часть 2 Грузовые крюки для подъемных устройств. Однорогие крюки. Обработанные детали с резьбовым хвостовиком).
7. DIN 15402/11.88 Teil 1 Lasthaken für Hebe-
zeuge; Doppelhaken; Rohteile (DIN 15402/11.88 Часть 1 Грузовые крюки для подъемных устройств. Двурогие крюки. Заготовки).
8. DIN 15402/09.83 Teil 2 Lasthaken für Hebe-
zeuge; Doppelhaken; Fertigteile mit Ge-
windenschaft (DIN 15402/09.83 Часть 2 Грузовые крюки для подъемных устройств. Двурогие крюки. Обработанные детали с резьбовым хвостовиком).
9. ISO 4301/1:1986 Краны и подъемные
устройства. Классификация. Общие положения.
10. FEM 9.511 Правила проектирования серийного подъемного оборудования. Классификация механизмов
11. Stallschlüssel. Verlag Stallschlüssel Wegst GmbH. 1998.
12. DIN 15404/11.88 Teil 1 Lasthaken für Hebe-
zeuge; Technische Lieferbedingungen für geschmiedeten Lasthaken (DIN 15404/11.88 Часть 1 Грузовые крюки для подъемных устройств. Технические условия поставки кованых крюков).
13. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испыта-
ния на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.
14. DIN 50 115/04.91 Prüfung metallischer Werkstoffe; Kerbschlagbiegeversuch; Besondere Probenform und Auswerte-verfa-ren (DIN 50 115/04.91 Испытания металлических материалов. Испытания на ударный изгиб. Специальные формы образцов и методы оценки).
15. Справочник по кранам / Под ред. М.М.
Гохберга. - М.: Машиностроение, 1988.
- Т. 2. - С. 342, табл. V.3.5.
16. ГОСТ 13556-91 Краны башенные строи-
тельные. Общие технические условия.
17. ГОСТ 16350-80 Климат СССР.
18. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989.
Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 17 июня 2007 г.
