6.2. Порталы и давления на их опоры

Разнообразие конструкций порталов объясняется разно­образием требований к порталам и кранам, различием в традициях и опыте краностроительных предприятий и малой изученностью границ рационального применения структур порталов. Порталы различаются по типу присоединения опор к верхнему ригелю (шар­нирное и жесткое), по числу соединений с ходовой частью (трех-и четырехопорные), по способу образования конструкции [решет­чатые, рамные (см. рис. 6.1, 6.4, 6.9, а, б), рамно-башенные (рис. 6.9, в), рамно-раскосные (рис. 6.9, г) ], по числу присоединений опор

к верхнему ригелю двух-(рис. 6.9, б) и четырехстоечные (рис. 6.9, а)] и т. д. На конструкцию портала влияет тип опорноповоротного устройства, что видно из сравнения рамных порталов кранов на многокатковом круге (см. рис. 6.1), наповоротной колонне (см. рис. 6.4) и на шаровом опорно-поворотном круге (см. рис. 6.5, а). Рамные четырехстоечные с крестообразным ригелем (см. рис.6.9, а) и двухстоечные (рис.6.9, б) порталы кранов на колонне часто имеют коробчатую конструкцию. На заводе ПТО им. С. М. Кирова элементы коробчатых порталов сваривают в приспособлениях и соединяют

Рис. 6.9. Порталы: а —- рамный четырехстоечный; б — рамный двухстоечный; в — рамно-башенный; г — рамно-раскосный

фланцевыми болтовыми соединениями, что обеспечивает взаимоза­меняемость элементов и исключает необходимость контрольной сборки [15]. Четырехстоечные порталы по сравнению с двухстоеч-ными более металлоемки, но менее подвержены деформациям, что важно для монтажных кранов. В конструкциях зарубежных кранов, выпускаемых в последние годы, широко применяют рамно-башенные порталы, в которых цилиндрическая (рис. 6.9, в), цилиндро-кониче-ская или пирамидальная башня присоединена к рамной конструк­ции. Рамно-башенный портал удачно сочетается с шаровым или роликовым опорно-поворотным кругом, установленным на башне. Рамно-башенные порталы наиболее просты в изготовлении и монтаже, так как состоят из наименьшего числа частей. Но башня, как и ого­ловок двухстоечного портала, получает значительные перемещения вследствие изгибных деформаций. Это может вызвать длительные медленно затухающие колебания в плоскости качания стрелы. Пере­ход от решетчатых конструкций к листовым, применение низколеги­рованных сталей для металлоконструкций, рост параметров кранов и оптимальное проектирование конструкций приводят к увеличению податливости кранов. Согласно статистическим данным применение двухстоечных и рамно-башенных порталов расширяется, а четырех-стоечных сокращается. В рамно-раскосных порталах (рис. 6.9, г) ригель, воспринимающий давления от нижней опоры колонны, является верхним ригелем рамной конструкции. Кольцевой ригель, воспринимающий давления горизонтальных катков колонны, соеди-.нен с рамной конструкцией восемью раскосами. Так как на раскосы действуют осевые силы, масса таких порталов меньше массы порталов с чисто рамной конструкцией, поскольку используются преиму­щества как листовых, так и решетчатых конструкций.

Рассмотрим нагружение симметричного портала крана на ко­лонне (см. рис. 6.8, а). При сочетании нагрузок IIa на кран дей­ствует сила ψ_IIQ от веса груза при коэффициенте динамичности ψ_II, при сочетании IIb₁ — силы Q и T₁=Qtgα_II (в сторону увеличения вылета) в плоскости качания стрелы, при сочетании IIb₂ — сила T₂ (в сторону уменьшения вылета). В любом случае в системе внешних нагрузок учитывают веса поворотной G (сила G приложена на рас­стоянии е от оси вращения) и неповоротной G₁ частей крана.

При любом сочетании нагрузок в плоскости качания стрелы на портал действуют зависящие от этого сочетания вертикальная V и горизонтальные Н₁=H±H_Г и H₂=H силы. Момент сил H на плече h₁ равен вертикальному моменту внешних сил в плоскости качания стрелы. В сочетании нагрузок IIа горизонтальное усилие H_Г=0, а в сочетаниях нагрузок IIв₁ и IIв₂ H_Г=±Qthα_II. Кроме того, при любом сочетании нагрузок в плоскости качания стрелы к верхнему ригелю портала в плоскости зубчатого или цевочного зацепления механизма поворота приложен горизонтальный момент М_Г, если тормоз механизма поворота закрыт. Усилие H_Г приложено к верхнему ригелю и уравновешено четырьмя горизонтальными реакциями опор H’_г, равными по величине и действующими парал­лельно плоскости качания стрелы. На рис. 6.8, а показаны реакции Н'_Г от усилия Н_Г= -Qthα_II, направленного в сторону уменьшения вылета. Момент М_Г уравновешен моментом от четырех горизонталь­ных реакций Н_Г, действующими перпендикулярно диагоналям опор­ного контура.

При сочетании нагрузок IIc на кран действует вес груза Q и сила T₃=Qtgβ_II, перпендикулярная плоскости качания стрелы. Кроме сил в плоскости качания стрелы на портал действуют гори­зонтальные силы Н₃ и H₄, параллельные силе Т₃, и соответствующие горизонтальные реакции Н^’’_Г в опорах крана. При этом значение момента, определяемое с учетом силы Т₃, ограничено муфтой пре­дельного момента. Согласно результатам расчетов даже в этом случае момент МР меньше момента сил трения между колесами и рельсами, следовательно, он уравновешивается четырьмя реакциями опор. Специфической нагрузкой четырехопорных порталов является распор К [10].

Для определения вертикальных давлений на опоры портала рассмотрим кран (см. рис. 6.8, а), нагруженный (для упрощения) только силами G и G₁. Силу G будем считать равнодействующей всех вертикальных сил, приложенных к поворотной части. Введем следующие допущения: конструкция портала считается абсолютно жесткой; рельсы лежат в одной горизонтальной плоскости (погреш­ности укладки путей не учитываются); до нагружения портал опи­рается на рельсы во всех четырех точках (все опоры имеют одинако­вую высоту); рельсовый путь под всеми опорами имеет одинаковую вертикальную податливость.

Для нахождения опорных реакций А, В, С, D имеем три уравне­ния статики (в остальные уравнения реакции не входят):

где а — половина базы; b — половина колеи портала.

При составлении дополнительного уравнения совместности де­формаций учтем допущения о жесткости портала и одинаковой по­датливости плоского рельсового пути под всеми опорами. Под дейст­вием давлений на опоры, направленных противоположно соответ­ствующим реакциям, точки А, В, С, D переместятся в положения А', В', С', D', причем вследствие абсолютной жесткости портала фигура А'В'С'D' останется плоской. Таким образом, сохранится параллельность противоположных сторон опорного контура, т.е. А'В'||С'О'. Тогда

где

— осадки опор; k — податливость ос­нования, т. е. осадка от единичной силы.

Подставив значения осадок в уравнение (6.4) и преобразовав его, получим необходимое дополнительное уравнение

Из совместного решения уравнений (6.1) и (6.5) имеем

Таким образом, для жесткого портала сумма давлений на диаго­нальные опоры не зависит от угла φ.

Решив систему уравнений (6.1)—(6.3), (6.6), можно найти

Давление на опору А имеет максимальное значение при φ=φ₀ определяемом из условия dА/dφ=0:

т. е. при расположении поворотной части перпендикулярно диаго­нали ВD опорного контура (рис. 6.8, б).

Реально рельсовый путь имеет погрешность укладки h₀ (рис. 6.8, в); для неидеально изготовленного портала существует погрешность h_К. Таким образом, невесомый и ненагруженный пор­тал имеет три точки опоры, а между четвертой опорой и рельсом есть зазор h=h₀+h_K. Если к порталу приложить возрастающую нагрузку в вертикальной плоскости, то по мере увеличения на­грузки зазор k будет уменьшаться вследствие деформаций портала и основания. Портал будет иметь четыре опоры лишь после достиже­ния определенного значения нагрузки. При этом значения давлений на опоры будут отличаться от значений, получаемых по формулам (6.7-6.10).

Влияние погрешностей конструкции крана и основания можно учесть достаточно точно, если давления на опоры вычислять по сле­дующей формуле [10]

где R_Ж — давления на опоры, определяемые по методу жесткой рамы, т.е. по формулам (6.7)—(6.10), кН; с — приведенная жесткость портала и основания, кН/мм, определяемая из выражения

Знак «—» в формуле (6.11) действителен для двух расположенных по диагонали опор, под одной из которых есть зазор (опоры А к С на рис. 6.8, в), знак «+» для двух других опор.

Для серийно выпускаемых кранов, тип основания которых не оговорен в задании на проектирование, жесткость основания с₀ в вы­ражении (6.12) следует принять бесконечной, что почти соответствует железобетонному основанию.

Жесткость портала с_К наиболее точно можно определить в про­цессе эксперимента на металличе­ской модели [10, 15]. Представим конструкцию портала в виде про­странственной рамы, нагруженной на опорах уравновешенной груп­пой вертикальных единичных сил, причем векторы этих сил на одной диагонали опорного контура на­правлены вверх, а на другой диагонали — вниз. На рис. 6.10 по­казано нагружение рамно-башенного двухстоечного портала (см. рис. 6.9, в) такой группой сил и эпюра изгибающих моментов. Если в этом случае жесткость с_К определить как величину, обратную по­датливости 6Ш то можно получить значения, близкие к эксперимен­тальным. Податливость портала по формуле Мора

где Е — модуль упругости; М₁ = Il_I; M₂ = Ia; М₀ — значение момента, соот­ветствующее центру тяжести трапециевидного участка эпюры на горизонтальном элементе опоры; J₁ и J₂ — средние моменты инерции сечений соответственно на­клонного и горизонтального элементов опоры.

Для более сложных конструкций порталов (см. рис. 6.9, а, б) с учетом их внутренней статической неопределимости расчет подат­ливости δ₁₁ следует выполнять на базе пространственной статической схемы портала.

Погрешность крана h_К значительна при индивидуальном изго­товлении опор и пренебрежимо мала, если технологией изготовления обеспечивается взаимозаменяемость опор (например, при механиче­ской обработке опор после сварки или при сварке в приспособле­ниях [15]).

При назначении погрешности укладки h₀ основания необходимо учитывать следующее. Согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» [16] для портальных кранов разность отметок головок рельсов в одном поперечном сечении не должна быть более 15 мм при укладке и 30 мм в процессе эксплуата­ции. Результаты измерений h₀ показывают, что распределение по­грешности h₀ описывается нормальным законом при математическом •' ожидании, равном нулю, и среднем квадратичном отклонении, равном 8—13 мм для железобетонного основания и 18—22 мм для шпального. При балансирной системе колес механизма передвижения (см. рис. 6.7) расчетные значения h₀ уменьшаются.

Рамно-башенные и рамные двухстоечные порталы (см. рис. 6.9, б, в) имеют большую вертикальную податливость. Как показывают результаты расчетов этих порталов, увеличение давления на опоры на величину с_Kh₀ при h₀<30 мм не превышает 5 % этого давления, вычисленного по формуле (6.7). Четырехстоечные порталы кранов на поворотном круге (см. рис. 6.1)

Рис. 6.10. Схема к расчету жесткости рамнобашеиного портала

Рис. 6.11. Грейферная однодвигательная лебедка с планетарной муфтой

и особенно кранов на колонне с крестообразным ригелем (см. рис. 6.9, а) имеют значительную вер­тикальную жесткость. Поэтому значения давлений для этих порта­лов необходимо определять по формуле (6.11).

Изложенный метод расчета можно применять и при определении давлений на опоры с учетом горизонтальных сил, действующих в плоскости качания стрелы. В этом случае значения давлений полу­чаются на 12—15 % точнее.