Глава 6

ПОРТАЛЬНЫЕ КРАНЫ

6.1. Общие сведения

Портальные краны представляют собой полноповоротные стреловые краны, поворотная часть которых установлена на портале, передвигающемся по рельсам, проложенным по земле или эстакаде. Различают перегрузочные (грейферные и крюковые) и монтажные (строительные, судостроительные и др.) краны. Рабочим органом перегрузочных кранов является грейфер (для сыпучих грузов) или автоматическое захватное устройство (для массовых штучных гру­зов). Обычно эти краны снабжают дополнительной крюковой под­веской.

Рис. 6.1. Портальный грейферный кран грузоподъемностью 10т завода подъемно-транспортного оборудования (ПТО) им. С. М. Кирова: I — портал; 1 — поворотная платформа; 3 — каркас; 4 — уравновешивающее устройство; 5 — стрела; 6 — хобот

Рис. 6.2 Портальный грейферный кран грузоподъемностью 10 т завода ПТО им. С.М. Кирова (разрез поворотной части): 1 - опорно-поворотное устройство; 2 — кабина управления; 3 — стреловое устройство; 4 — демпфер; 5 — уравновешивающее устройство; 6 — механизм изменения вылета

Общий вид, разрез и план платформы кранов завода ПТО имени С. М. Кирова показаны на рис. 6.1—6.3. В зависимости от числа перекрываемых железнодорожных путей порталы бывают одно-, двух- (рис. 6.1, а) и трехпутными (рис. 6.1, б). Внутренний контур портала должен соответствовать габариту приближения строений С по ГОСТ 9238—73. Грузоподъемность отечественных кранов дости­гает 80 т (рис. 6.4), зарубежных — 300 т. В отечественном краностроении намечается создание кранов грузоподъемностью до 400 т и вылетом до 80 м.

Монтажные краны предназначены для работ с ответственными штучными грузами. В последнее время на монтажных кранах для их эффективного использования предусматривают изменение допусти­мой грузоподъемности в зависимости от вылета (рис. 6.4, б).

Портальные доковые краны (рис. 6.5, а) служат для выполнения работы внутри доков. Они перемещаются вдоль стенки дока по путям с очень малой колеей. Устойчивость крана обеспечивают противо­весами на поворотной части и при необходимости заливкой бетона в опоры портала.

Рис. 6.3 Портальный грейферный кран грузоподъемностью 16т завода ПТО им. С. М. Кирова (план поворотной платформы): 1 — кабина управления; 2 — механизм поворота; 3 — грейферная лебедка с независимыми барабанами

Помимо противоугонных захватов доковые краны снабжают противоопрокидывающими захватами (рис. 6.5, б), удер­живающими кран при боковом ураганном ветре. Доковые краны проектируют с учетом крена и дифферента дока.

Краны с бункером на портале (рис. 6.6) применяют для выгрузки сыпучих грузов из судов при устойчивом грузопотоке. Вращение исключено из рабочего цикла крана, тем самым повышается производительность. Движение грейфера из трюма к бункеру и обратно обеспечивают только механизмы подъема и изменения вылета. Из грейфера груз высыпается в бункер и доставляется на склад транспортерами, один или два из которых установлены на кране. Размеры бункера в плане, с учетом раскачивания грейфера на ка­натах, значительны. Для уменьшения раскачивания длина подвеса должна быть возможно меньшей. При передвижении крана вдоль судна бункер не должен выступать в сторону берегового рельса за габарит портала. В кране завода ПТО им. С. М. Кирова (см. рис. 6.6, а) бункер выполнен поворотным. При выгрузке груза из судна бункер устанавливают горизонтально, а при перемещениях крана вдоль

Рис. 6.4. Портальный монтажный кран грузоподъемностью 80 т завода ПТО им. С. М. Кирова: а — общий вид; б — график изменения грузоподъемности; « — одна из возможных схем механизма поворота портального крана

пирса — вертикально; при этом бункер не задевает надстроек судна. В кране фирмы «Кампнагель» из тех же соображений бункер выпол­нен передвижным (см. рис. 6.6, б). Это позволяет уменьшить длину перемещения грейфера и массу стреловой системы.

Портальные краны имеют механизмы подъема, изменения вылета, поворота и передвижения (передвижение является установочным движением, остальные •— рабочими). Механизмы подъема рассма­триваются в п. 6.3, механизмы изменения вылета — в п. 6.6. Меха­низмы поворота имеют обычную конструкцию с червячным (см. рис. 6.4, в) или зубчатым редуктором, конической или многодисковой муфтой предельного момента и открытой зубчатой или цевочной

Рис. 6.5 Портальный доковый кран завода ПТО им. С.М. Кирова: a — общий вид; 6 — противоопрокидывающий захват; 1 — портал; 2 — поворотная плат­форма; 3 — стрела; 4 — колонна; 5 — уравновешивающее устройство; 6 — кронштейн, присоединенный к опоре портала; 7 — рама ходовой тележки; 8 — шестерня привода механизма передвижения; 9 — кронштейн на раме тележки; 10 — закладной палец; 11 — кронштейн на стенке дока

передачей. Механизмы передвижения кранов состоят из приводных и неприводных тележек (рис. 6.7, а), объединенных системой балан­сиров (рис. 6.7, б). Длину плеч балансиров выбирают с учетом обес­печения одинаковой нагрузки на всех колесах. При диаметре колеса 560—710 мм (допустимая нагрузка 250—400 кН) под опорой устанавли­вают 12 колес и более. Тележки снабжены противоугонными захватами.

Скорости движений перегрузочных кранов находятся в пределах: подъема до 80 м/мин; изменения вылета 50 м/мин. Частота вращения 1,5—2 об/мин. Скорости движений монтажных кранов находятся в пределах: основного подъема 3—20 м/мин (меньшие значения скорости при больших значениях грузоподъемностей), изменения вылета 8—20 м/мин. Частота вращения 0,3—1 об/мин. Значения установочных (посадочных) скоростей составляют 0,02—0,05 значений основных скоростей. Скорость передвижения кранов 12—33 м/мин.

Схема нагружения крана показана на рис. 6.8, а. Груз весом ф расположен на вылете R от оси вращения 02. Положение плоскости

Рис. 6.6 Портальные краны с бункером на портале: а — кран-перегружатель завода ПТО им. С.М. Кирова; б — кран фирмы «Кампнагель» (ФРГ)

качания стрелы относительно плоскости симметрии ОY крана, про­веденной через середину базы 2а, определяется углом вращения φ. При проектировочном расчете крана необходимо учитывать сочета­ния нагрузок, приведенные в табл. 6.1. Вес поворотной G и непово­ротной G₁ частей крана при эскизном проектировании следует при­нимать [19] с учетом особенностей крана; по результатам проекти­рования производят уточнение весов и перерасчет. Вес оптимальных конструкций некоторых узлов можно определить теоретически (см. п. 6.5).

Максимально допустимый вес груза Q, поднимаемого краном, может быть постоянным или переменным по вылету. В последнем случае более эффективно используется запас по несущей способности конструкции. Согласно рекомендациям завода ПТО им. С. М. Кирова значения допустимого веса груза по вылету (см. рис. 6.4, б) следует определять по следующим формулам:

где Q — вес груза на наибольшем вылете R_MАХ; Q(R) — вес груза на вылете R; R и R_MIN — текущий и наименьший вылеты от оси вращения.

Рис. 6.7 Ходовая тележка крана завода ПТО им. С.М. Кирова грузоподъемностью 10 т (а) и схема балансира механизма передвижения (6)

Рис. 6.8 Схемы к расчету давлений на опоры портала

Переменная часть графика соответствует постоянному вертикаль­ному моменту, действующему на портал от поворотной части. Огра­ничение веса груза на малых вылетах значением 2Q необходимо из конструктивных соображений. Соответствие грузоподъемности этому графику обеспечивается ограничителем грузового момента.

Коэффициенты динамичности ψ_I и ψ_II при работе механизма подъема вычисляют по формулам, приведенным в работе [18], в зависимости от масс и жесткостей элементов крана и скорости каната. В предварительных расчетах принимают для грейферных кранов (режим работы ВТ) ψ_II = 1,6; ψ_I = 1,4; для крюковых (ре­жим работы Т) ψ_II = 1,5; ψ_I = 1,3; для монтажных ψ_II = 1,3. Расчетные углы отклонения канатов от вертикали принимают в плоскости качания стрелы (углы α_I и α_II) и в перпендикулярной ей плоскости (углы β_I и β_II) соответственно для случаев работы механизма измене­ния вылета и поворота. По данным испытаний портовых кранов, проведенных Ленинградским институтом водного транспорта, и по материалам завода ПТО им. С. М. Кирова для грейферных кранов можно принимать α_I = 6,5°, β_I = 5,5°; α_II = 17°, β_II = 15°; для крюковых α_I = 5°, β_I = 4,5°; α_II = 13,5°, β_II = 12°; для монтажных α_II = β_II = 6°. При выборе двигателей для грейферных кранов при­нимают α = 5,5°, β = 5°; для крюковых α = 4,5°, β = 4°; для мон­тажных α = β = 3°.

Отклонение канатов на угол а (или на угол Р) вызывает горизон­тальную силу Т=Qtgα, (или Т=Qtgβ), приложенную в точке подвеса груза (см. рис. 6.8, а). При сочетании нагрузок IIb₁ отклоне­ние груза принимают в сторону увеличения вылета (сила Т₁), а при сочетании нагрузок IIb₂ — в сторону уменьшения вылета (сила Т₂). Силы инерции масс элементов крана вычисляют по формулам, при­веденным в работе [19]. Ветровую нагрузку определяют по ГОСТ 1451—77 и учитывают при выборе двигателей (ветровая на­грузка рабочего состояния крана) и в прочностных расчетах (ветро­вая нагрузка нерабочего состояния крана). В правилах технической эксплуатации перегрузочных машин морских портов запрещена работа береговых кранов при скорости ветра 15 м/с и более. Однако в процессе исследований выявлена возможность работы крана при более высоких скоростях ветра в зонах, ограниченных по вылету и углу вращения.

При расчете на прочность надо рассмотреть различные сочетания нагрузок, вылеты и углы вращения, чтобы выявить наиболее не­благоприятное из них. Металлические конструкции перегрузочных кранов на сопротивление усталости рассчитывают при эквивалентных нагрузках. Для грейферных кранов (с учетом возможного перепол­нения грейфера) коэффициент эквивалентности φ_Э=1,0, для крюковых φ_Э==0,85. Расчет по эквивалентным нагрузкам ведут как расчет при нестационарном нагружении [10] с учетом распределения вылетов взятия груза, варианта работы (судно—судно, судно—склад и т.д.), определяющего последовательность рабочих движений, изменчивости по вылету передаточных функций стрелового устрой­ства и т.д.

Внешние нагрузки, определяемые ими усилия на узлы и детали крана и вызываемые ими напряжения являются непрерывными нестационарными случайными величинами, зависящими от следу­ющих случайных факторов: веса груза, пусковых и тормозных мо­ментов, последовательности и частоты включений механизмов, ско­рости и направления ветра, варианта работы и т. д. Разрабатыва­ются вероятностные расчеты прочности, сопротивления усталости и надежности узлов и деталей перегрузочных кранов [6, 7], базиру­ющиеся на статистическом исследовании нагрузок в эксплуатации. Установлено, в частности, что параметры распределения внешних нагрузок, усилий в шарнирах стреловой системы, опорных давлений порталов грейферных кранов могут быть аппроксимированы нор­мальными законами.