CC BY
67
МАШИНОВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН
УДК 621.86
ПОВЫШЕНИЕ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ КРАНОВ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ С УЧЕТОМ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
П.В. Витчук, Н.Н. Курдюбов, К.С. Коломиец
Рассмотрены варианты увеличения грузоподъемности кранов в условиях чрезвычайных ситуаций. Приведены рассуждения, которые могут быть использованы при анализе возможности увеличения грузоподъемности металлоконструкции крана и его механизма подъема. Рассмотрена задача о двукратном увеличении грузоподъемности на примере козлового крана.
Ключевые слова: вероятность безотказной работы, грузоподъемность, грузоподъемный кран, чрезвычайная ситуация, металлоконструкция, механизм подъема.
В ряде случаев на промышленных предприятиях возникает необходимость транспортировки грузов, масса которых превышает грузоподъемность имеющихся в наличии кранов. Это может оказаться необходимым как при нормальной хозяйственной деятельности предприятия, так и в условиях чрезвычайных ситуаций.
В таких случаях приобретение или аренда грузоподъемных кранов для разовых подъемов могут оказаться экономически нецелесообразными. Кроме того, для условий чрезвычайных ситуаций крайне важна оперативность действий, поэтому затраты времени на поставку, монтаж, наладку новых кранов и прочие вспомогательные процессы могут оказаться недопустимыми.
Исследования возможности повышения грузоподъемности кранов проводились в ряде научно-исследовательских организаций. Например, ВНИИПТМАШ в 1987 г. были разработаны «Временные методические указания по повышению грузоподъемности мостовых кранов, обеспечиваемому путем использования специальных схем нагружения и монтажной оснастки». В 1998 г. научно-технической ассоциацией «Подъемные сооружения» был разработан руководящий документ «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Краны стреловые самоходные. Методические указания по подготовке кранов для выполнения работ в чрезвычайных ситуациях».
Анализ этих документов, а также работ [1-3] показал, что повышение грузоподъемности кранов возможно на основе расчетной проверки имеющегося крана, в ходе которой можно обнаружить как элементы с избыточным запасом несущей способности, так и необходимость усиления какого-либо отельного узла или элемента крана.
Пролетное строение крана может быть усилено: шпренгельной системой; элементом, создающим предварительное напряжение; увеличением сечения верхнего пояса [1, 41. Так, АО «Уфакран» был разработан кран грузоподъемностью 20 т и пролетом 36 м (рис. 1, а). Такая грузоподъемность была достигнута усилением пролетного строения шпренгельной системой, работающей на сжатие. Таким же образом, но с работающими на растяжение тягами (оттяжками), удалось на базе крана Александрийского завода грузоподъемностью 16 т, пролетом 32 м и вылетом консолей 10 м, создать кран грузоподъемностью 32 т, пролетом 40 м и вылетом консолей 18 м (рис. 1, б) [2].
а б
Рис. 1. Схемы усиления пролетного строения крана [2]: а - шпренгельной системой; б - оттяжками
Механизм подъема может быть усилен: заменой каната более прочным; увеличением передаточного числа редуктора; увеличением кратности полиспаста; использованием специальных схем нагружения. Например, на рис. 2, а показана схема с использованием траверсы, подъем которой осуществляется крановой тележкой и дополнительной электрической лебедкой, установленной на мосту крана. На рис. 2, б показана схема с применением треугольной траверсы, подъем которой осуществляется собственным механизмом подъема крана [11.
Выбор схемы усиления пролетного строения и механизма подъема следует производить с учетом имеющихся возможностей, требований к процессу перемещения груза и др. Например, при подъеме по схемам, показанным на рис. 2, высота подъема груза существенно уменьшается и в обоих случаях перемещение груза вдоль моста исключается.
Рассуждения, которые могут быть использованы при анализе возможности увеличения грузоподъемности пролетного строения (металлоконструкции) крана и его механизма подъема даны на рис. 3 и 4 соответ-
ственно. Как видно из рис. 3 и 4 поиск наиболее благоприятного решения увеличения грузоподъемности крана является комплексной задачей, требующей учета большого количества переменных величин. Поэтому целесообразной видится разработка соответствующего нормативного документа, регламентирующего порядок и методику повышения грузоподъемности кранов. При отсутствии такого документа решение может быть принято, например, с использованием методов экспертных оценок.
а б
Рис. 2. Специальные схемы нагружения [1]: а - с использованием траверсы и лебедки; б - с использованием
треугольной траверсы
Увеличение несущей способности металлоконструкции (МК)
Расчет МК с пониженными коэффициентами запаса прочности
Усиление МК _I_
I
Проверка вероятности безотказной работы пролетного строения
-Использование спец. схем нагружения __I_
.Использование траверсы
-%
Иные схемы
► Проектирование траверсы —«к Изготовление траверсы
—#>• Монтаж траверсы
Проверка пролетного строения ►по новой схеме нагружения с учетом траверсы
■Применение оттяжек
^ Выбор места крепления каната
♦ Выбор каната
^Конструирование места крепления отводного блока
» Выбор блока
Конструирование мсста ► крепления оттяжки к пролетному строению
^Предварительная натяжка каната
„Ограничение хода тележки вдоль пролетного строения
-1
Применение : шпренгельной системы
Разработка фермы
►Выбор профиля стержней
► Выбор мест крепления фермы
4* Производство фермы Монтаж фермы
►Невозможность расположения шпренгеля сверху
►Блокирование хода тележки
Монтаж шпренгеля на нижнем поясе
1
Нет необходимости перемещения
_Использование переоснастки
оттяжек при перемещении груза
Выбор места крепления оттяжки с соблюдением необходимого диапазона
Выбор и расчет нескольких "сочетаний мест крепления оттяжек для последовательного их перезакреплеиия
►Использование канатов разной длины
Рис. 3. Возможности увеличения грузоподъемности металлоконструкции крана
55
Увеличение грузоподъемности механизма подъема (МП) __I____
Перерасчет МП с пониженными коэффициентами запаса
Проверка барабана
Проверка каната
, Проверка редуктора
, Проверка _
тормоза
Проверка ,_
' подвески крюковой
Проверка
> соеденительных-
элементов
С
Увеличение кратности полиспаста
_I_
Новый механизм подъема
Проектирование крюковой подвески
Модернизация канатно-
блочной системы \
Нехватка каната для опускания крюка в нижнее положение_
Нет необходимости опускать крюк в нижнее положение
Увеличение длины каната
Г
1
1
Увеличить длину барабана Использование канатоукладчика
Изменение рамы тележки Проверка вероятности
безотказной работы барабана
•Изменение скорости подъема
_Нет необходимости
сохранять скорость подъема
Выбор электродвигателя* Выбор редуктора
Определение минимальных I
допустимых коэффициентов запаса Анализ схемы компановки механизма
* I-'-1
Определение коэффициентов запаса Не из ▼ няется Модернизация рамьТтележки при перегрузке
Рис. 4. Возможности увеличения грузоподъемности механизма подъема крана
Однако, при этом необходимо учитывать возможное снижение механических характеристик материала и уменьшение сечения несущих элементов в случае наличия коррозионных повреждений. Как показано в работах [5, 61, снижение пределов прочности, текучести и выносливости может достигать 15 % от номинальных значений, полученных при испытаниях и сертификации материала, при сдаче крана в эксплуатацию. Кроме этого, уменьшение площади поперечного сечения материала из-за коррозионной поврежденности приводит к увеличению действующих напряжений, что также влияет на прочность и устойчивость конструкции в целом.
При этом можно отметить, что проверять металлоконструкцию крана на усталостную прочность особого смысла не имеет, так как необходимость работы с грузами выше номинальных является скорее исключением и возникает достаточно редко. Но при этом необходимо убедиться в отсутствии усталостных трещин в модернизируемой металлоконструкции.
Рассмотрим задачу об увеличении грузоподъемности на примере козлового крана грузоподъемностью 8 тонн пролетом 16 м. Предположим, что потребовалось этим краном поднять груз массой 16 тонн, что вдвое превышает паспортную грузоподъемность.
56
Для обоснования выбора варианта увеличения грузоподъемности было решено применять метод экспертных оценок.
С целью проведения сравнительного анализа известные варианты были условно разделены на две группы:
- группа I - усиление металлоконструкции крана на основе применения оттяжек или шпренгельной системы;
- группа II - применение специальных схем нагружения.
Для сравнения были выбраны следующие критерии оценки: стоимость, скорость монтажа, сохранение обслуживаемого пространства, сохранение заданных габаритов, возможность длительного использования и были определены их коэффициенты весомости. После чего была определена экспертная оценка критериев по пятибалльной шкале. Результаты даны на рис. 5.
264,8 200
222
100
критерий
Рис. 5. Результаты сравнения вариантов увеличения грузоподъемности методом экспертных оценок
В результате исследования предпочтение было отдано вариантам увеличения грузоподъемности, связанным с усилением конструкции пролетного строения козлового крана. В силу ряда ограничений, связанных с использованием шпренгельной системы, было принято решение об использовании оттяжек.
Представив оттяжку в виде статической опоры можно видеть, что в зависимости от места крепления будет изменяться ее реакция (рис. 6).
Введем обозначение а - отношение расстояния от опоры крана до места крепления оттяжки к длине пролета. В зависимости от величины а будет изменяться угол направления реакции X. Так как в непосредственном противодействии нагрузке участвует лишь вертикальная составляющая реакции, в расчетах необходимо рассматривать именно её. Кроме того, реакция X является растягивающим усилием каната оттяжки, то есть критерием его выбора. Также от места крепления оттяжки будет зависеть величина прогиба пролетного строения, значение которого не должно превышать 1/500 пролета [7].
Таким образом, выбор места крепления оттяжки влияет сразу на два параметра: разрывное усилие в канате и прогиб пролетного строения. При этом сама система является статически неопределимой, то есть при каждом расчете отдельных мест крепления могут быть получены различные величины реакций опор [8]. Из этого следует, что обоснованный выбор места крепления оттяжки с использованием классических методов строительной механики возможен лишь на основе множественных повторений расчетов для различных мест крепления. Поэтому для упрощения вычислений было принято решение проводить расчет зависимости различных величин от параметра а с использованием ЭВМ.
"Ч X¡ eos (а) X2cos(a) '-2 / <--*-0
Ж aL aL Щ
Рис. 6. Расчетная схема пролетного строения с оттяжками
С целью разработки программы для ЭВМ необходимо получить решение в общем виде. Поэтому раскроем статическую неопределимость при помощи метода трех моментов (рис. 7) [9]:
( 1 Л
¡ХМ 0 + 2МХ (¡х +¡2) + М212 = -6
Oi^1 + W2 bb2 1 l1 2 l
ax
a2
2;
Г b \
w - - b
(1)
2
l
+ W J3
2
¡М + 2М2 (¡2 + ¡3) + Мз1з = -6 2 ,
¡2 ¡3 у
где - площадь эпюры моментов соответствующего участка от внешних нагрузок; Мо = М3 = 0; а^, Ь^ - расстояние центра тяжести соответствующей эпюры до левого и правого края балки соответственно.
M0 M} M, P M2 Л/, Щ
l¡ =La 1, =(2L-2La) h =La
Рис. 7. Схема к расчету пролетного строения методом трех моментов
В свою очередь:
W1 = W3 = 0 ; W2
1
2
Pl,
v
58
4
; a2 = b2
h 2
l
2
Подставляя эти значения в систему уравнений (1), с учетом того, что ¡1 = ¡3 = аЬ и ¡2 = 2Ь - 2аЬ, получим:
Р (2 Ь - 2аЬ )2
2МХ (2Ь - аЬ)+ М2 (2Ь - 2аЬ) = -6—^-^
16
(2L - 2aL)M1 + 2M2 (2L - aL) = -6
P (2L - 2aL )2 16
Так как оттяжки закреплены симметрично, то M1 = M2 = M, тогда:
2ML (2 - a) + 2ML (1 - a)
6P (2L - 2aL )2
16
2ML (3 - 2a ) = - 6 P (2L - 2aL)
Откуда:
16
м_ 3PL (1 - a)2
4 (3 - 2a)
Значение реакции в опоре, в свою очередь, составит:
(2)
B
M P +
aL 2
Тогда растягивающее усилие в канате оттяжки может быть найдено:
X1 = XB /sina, (3)
где a- угол, зависящий от параметра a и высоты установки обводного блока.
Для определения прогиба пролетного строения был использован метод Верещагина [9]. Опуская промежуточные преобразования, получим:
P(2L - 2aL)
L
[d] £
4
-M
EL,
(4)
где [£] = L/500 - допустимый прогиб; E - модуль упругости материала пролетного строения; Ix - момент инерции поперечного сечения. Подставляя (2) в (4) получим:
[d]
£ L2 P (2L - 2aL)+
4 EL,
(5)
Уравнения (3) и (5) были использованы для разработки программы для ЭВМ с целью выбора наилучшего места крепления оттяжки. Программа была реализована в среде ЬаЬУЖ^ При расчете были получены графики зависимостей прогиба и растягивающего усилия от места крепления оттяжки (рис. 8).
2
2
На основе результатов моделирования было принято разместить отводной блок на высоте 1,6 м, а ординату крепления оттяжки на расстоянии 4 м от опоры крана. Это позволило повысить грузоподъемность пролетного строения с 8 до 16 тонн. В качестве оттяжки был принят канат ЛК-РО 6х36 (1+7+7/7+14)+1 о.с. ГОСТ 7668-80, диаметр каната dк =29 мм с разрывным усилием ^0тах =454,5 кН.
Для проверки возможности увеличения грузоподъемности механизма подъема был проведен перерасчет его основных элементов.
Для примера рассмотрим расчет траверсы крюковой подвески при работе крана с грузом массой 16 тонн. Расчетная схема и эпюра изгибающих моментов даны на рис. 9.
Прогиб в зависимости от места крепления Р1а10 (/ V
Разрывное усилие в канате
Р1о4 0 /V
430000-
450000-
440000-
420000-
400000-
2
£ 330000-
зьоооо-
340000-
320000-
зооооо-
2Э0000-
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5 а
0,6
0,7
0,3
0,9
Рис. 8. Зависимости прогиба пролетного строения и растягивающей нагрузки в оттяжке от величины а
Коэффициент запаса по пределу текучести <гТ в опасном сечении траверсы составил:
щ = — = 345 = 1,26. Т а 273 60
При таком коэффициенте запаса вероятность безотказной работы траверсы может быть найдена [10]:
Р = 0,5 + Ф (2)» 0,98,
, , М (а)М (аТ) «Т —1 , где Ф (г ) = —, ----функция Лапласа, зависящая от матема-
' ^ «т
тических ожиданий предела текучести материала М (аТ) и максимальных напряжений М (а), их среднеквадратических отклонений и Б2 и коэффициента запаса.
Р!3 Р/ 3 Р/3
0,069 0,069
ОД 44
0,288
5500 11м
7500 11м
5500 Им
Рис. 9. Расчетная схема и эпюра изгибающих моментов в траверсе при работе крана с грузом массой 16 тонн
Аналогичным образом был произведен расчет крюка, грузового каната, креплений каната, барабана, подшипниковых опор барабана, редуктора и соединительных муфт. Результаты даны в таблице.
Результаты расчета вероятности безотказной работы элементов
Элемент Коэффициента запаса Вероятность безотказной работы
Траверса 1,26 0,98
Крюк 1,26 0,99
Канат 2,03 0,9999
Крепления каната 1,67 0,997
Барабан 1,47 0,98
Подшипниковые опоры 2,6 0,9999
Редуктор 1,76 0,998
Соединительные муфты 1,89 0,999
Механизм подъема в целом 0,927
Таким образом, итоговая вероятность безотказной работы механизма подъема по рассчитанным элементам составила 0,927.
Для козловых электрических кранов общего назначения с грузовой тележкой грузоподъемностью до 50 т в режиме работы параметр потока
внезапных отказов согласно [11] составляет 9 10 1/тыс. час. Это соот-
61
ветствует вероятности безотказной работы » 0,80 за 24 часа непрерывной наработки [12]. Поэтому можно считать полученную вероятность безотказной работы приемлемой для разовых подъемов грузов в условиях чрезвычайных ситуаций.
Для достижения грузоподъемности 16 тонн потребуется также увеличение мощности механизма подъема. Это возможно на основе замены имеющегося электродвигателя на более мощный или на основе использования вспомогательного механизма подъема, например, электрической тали. Тормозной момент в обоих случаях может быть обеспечен регулировкой тормозной системы.
Рассмотренный пример показывает, что избыточные запасы несущей способности ряда кранов позволяют значительно увеличивать их грузоподъемность на основе введения в их конструкцию сравнительно простых усиливающих элементов. Это может оказаться полезным в условиях чрезвычайных ситуаций, когда требуется осуществить экстренный подъем грузов, масса которых превышает паспортную грузоподъемность крана.
Список литературы
1. Зерцалов А.И. О возможностях увеличения основных параметров кранов // Подъемно-транспортное дело, 2000. №3. С. 13-18.
2. Абрамович И.И. Некоторые пути создания модификаций козловых кранов // Подъемно-транспортное дело, 2000. №1. С. 17-21.
3. Абрамович И.И., Егоров П.Н. Усиление трубчатых стальных конструкций // Подъемно-транспортное дело, 1999. №4. С. 23-30.
4. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Калабин П.Ю. Оптимизация металлических конструкций грузоподъемных машин мостового типа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. Вып. 4. С. 18-22.
5. Селиверстов Г.В., Коломиец К.С. Применение регрессионных моделей для оценки усталостной поврежденности металлоконструкций кранов // Современные технологии в науке и образовании - СТНО-2017: сб. тр. междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф.: в 9 т. / под общ. ред. О.В. Миловзорова. Рязань: Рязан. гос. радиотехн. ун-т, 2017. Т.2. С.109-113.
6. Селиверстов Г.В., Коломиец К.С. Расчет усталостной поврежден-ности металлоконструкций кранов в условиях развития коррозии // Наземные транспортные-технологические комплексы и средства: материалы Международной научной-технической конференции / под общ. ред. Ш.М. Мерданова. Тюмень: ТИУ, 2017. С. 272-276.
7. СТО 24.09-5281-01-93. Краны грузоподъемные. Нормы расчета элементов стальных конструкций.
8. Абрамович И.И. Проектные расчеты металлоконструкций мостовых кранов. М.: Издательский дом «ПТС», 2012. 28 с.
9. Вершинский А.В., Гохберг М.М., Семенов В.П. Строительная механика и металлические конструкции. Л.: Машиностроение, 1984. 231 с.
10. Брауде В.И., Семенов Л.Н. Надежность подъемно-транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1986. 183 с.
11. РТМ 24.090.23-76. Нормы надежности мостовых, козловых и портальных кранов. Руководящие технические материалы М.: Издательство НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1978. 5 с.
12. Ермоленко В. А., Витчук П. В. Особенности расчета показателей надежности грузоподъемных машин // Надежность. 2016. № 2 (57). С. 2025.
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доцент, zzz Ventor@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Курдюбов Николай Николаевич, студент, nkurdyubov@,mail. net, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Коломиец Константин Степанович, аспирант, konkolomiec@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INCREASING LOADING CAPACITY OF CRANES IN THE CONDITIONS OF EMERGENCY SITUATIONS TAKING INTO ACCOUNT THE DAMAGE TO METAL
STRUCTURES
P.V. Vitchuk, N.N. Kurdyubov, K.S. Kolomiets
Considered options for increasing the load capacity of cranes in emergency situations. Given reasoning that can be used in the analysis of the possibility of increasing the load capacity of the crane metal structure and its lifting mechanism. The problem of a twofold increase in load capacity was considered by the example of a gantry crane.
Key words: probability of failure-free operation, load capacity, crane, emergency, metal construction, lifting mechanism.
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, docent, zzz Ventor@yandex. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Kurdyubov Nikolay Nikolaevich, student, nkurdyubov@,mail. net, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Kolomiets Konstantin Stepanovich, postgraduate, konkolomiec@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
