Методическое пособие 791

На этом построение расчетной схемы крана с поворотной башней заканчивают и переходят к определению координат центра тяжести построенной расчетной модели и коэффициентов устойчивости крана от опрокидывания с принятыми размерами элементов и их массой.

2.3. Разработка расчетной схемы крана с неповоротной башней

Эту работу начинают в таком же порядке, как и в предыдущем разделе. Расчетная схема передвижного башенного крана с неповоротной башней показана на рис. 2.8.

Определение начальных параметров расчетной схемы производится в полном соответствии с п. 1 и 2 построения расчетной схемы крана с поворотной башней.

3.Ходовая рама крана с неповоротной башней в первую очередь служит опорой колонны башни. Размер площадки вокруг башни в пределах опорного контура должна позволять разместить на ней необходимый объем балласта расчетной массы (поз. 3 на рис. 2.8). В этом случае применяют плоские сборные ходовые рамы или ходовые рамы портального типа (рис.

1.11и 1.25). Высоту сечения балок, образующих опорный контур с ходовыми тележками, в наиболее нагруженном месте плоской ходовой рамы на начальном этапе проектирования

мож-но назначить hхр = 500 ÷ 600 мм в зависимости от величины заданного грузового момента.

Ходовая рама на расчетной схеме, выполняемой в координатах Х-Y, изображается симметрично оси вращения поворотной части крана. В координатах Х-Z она может быть не симметричной.

4.Портальная часть башни (поз. 4 на рис. 2.8) может быть выполнена как опорная часть колонны башни или как часть колонны башни с подкосами (рис. 1.25, а). В первом случае металлоконструкция портала выполняется сварной в виде усеченной пирамиды с гранями, выполненными как фермы (рис. 1.25, б). Портал может также иметь объемную конструкцию, позволяющую при необходимости производить подращивание башни через портал (рис 1.25, в). В случае выполнения портальной части башни с подкосами (рис. 1.25, г) соединение подкосов с башней выполняется с помощью пальцев или болтов. Элементы подкосов башни вы-

полняются из металлопрофиля коробчатого сечения с высотой стенки hст = 200 ÷ 250 мм.

При выборе высоты портала hпт принимается во внимание возможность удобного размещения на ходовой раме элементов балласта. Если через портал будет выполняться подращивание колонны башни, высота портала должна обеспечивать возможность установки и стыковки секции башни с предыдущей секцией и возможность подъема повышенной высоты

башни. При выполнении портала с подкосами его высоту можно принять ориентировочно hпт

≈ 1,3 Б.

5.У кранов с неповоротной башней ось вращения поворотной части является осью башни. Форма поперечного сечения неповоротной башни квадратная. Размеры сечения ко-

лонны башни (lб = bб) определяются по графикам на рис. 2.6 в зависимости от грузового момента и ее собственной высоты. Собственная высота колонны может быть вычислена по

формуле hкб = Н0 – (hт + hхр+ hпт). Башни изготовляют из угловых или трубчатых профилей. Решетки граней колонны могут быть простыми раскосными или усилены дополнительными прямыми связями. Конструкция верхней секции неповоротной башни должна предусматривать установку опорно-поворотного устройства (рис. 1.27).

6.На кране с неповоротной башней можно применять опорно-поворотное устройство (поз. 6 на рис. 2.8) шарикового или роликового типа. Типоразмер ОПУ выбирают из табл. 2.7 в зависимости от грузового момента и вертикальной нагрузки на него. Вертикальную на-

грузку Fопу, действующую на ОПУ, создают силы тяжести оголовка, стрелы, контрстрелы, контргруза, грузовой, стреловой, тяговой лебедок, кабины управления и номинального груза:

51

Рис. 2.8. Расчетная схема башенного крана

Момент от номинального груза, действующий на ОПУ при уравновешивании сил тяжести поворотной части относительно оси башни, можно принять

7. Оголовок (поз. 7 на рис. 2.8) неповоротной башни обычно выполняется симметрично относительно оси башни. Его высота Ног определяется углом входа на него стрелового расчала

52

8. Стрелы кранов с неповоротной башней (поз. 13 на рис. 2.8) могут быть как подъемными, так и балочными. Балочные стрелы на кранах с неповоротной башней имеют наибольшее распространение. Основные конструктивные размеры стрел кранов с неповоротной башней определяются по тем же соотношениям что и для кранов с поворотной башней (см. п. 11 предыдущего раздела). Расчетная (геометрическая) длина стрелы составляет

Стрела в кранах с неповоротной башней крепится шарнирно к поворотному оголовку башни.

9. Противовесная консоль (контрстрела) (поз. 8 на рис. 2.8) крепится шарнирно к оголовку со стороны, противоположной стреле. Контрстрела удерживается тягой, прикрепленной одним концом к хвостовой части консоли, а другим – к вершине оголовка.

Длина контрстрелы определяет задний габарит lзг для кранов с неповоротной башней. Его можно вычислить по формуле [5]

где М = Q L0 – грузовой момент, т·м;

Величину заднего габарита для кранов с неповоротной башней можно также определить по графику на рис. 2.9.

Ширина контрстрелы по оси Z определяется конструктивно размером b грузовой (при маневровой стреле еще и стреловой) лебедки из табл. 2.6. Лебедки на расчетной схеме изображаются прямоугольниками с соответствующими размерам l и h. К этому размеру следует добавить еще ширину проходов с каждой стороны не менее 0,4 м, если конструкция противовесной консоли будет выполняться по рис. 2.10.

Рис. 2.9. График для определения заднего габарита контрстрелы

10. Контргруз (поз. 9 на рис. 2.8) поднимается с помощью специальной лебедки 3 (рис. 2.10), закрепляется на консоли на максимальном удалении от башни. Размеры контргруза определяются возможностью его надежной и удобной установки на консоли. Размер контргруза по оси Z предварительно можно принять bкг ≈ 0,5 bкс. Высоту контргруза принимаем hкг ≈ 1,2 м. Размер lкг определяют исходя из массы контргруза и плотности его материала ρ ≈ 2,2 т/м³

53

Рис. 2.10. Общий вид противовесной консоли (контрстрелы)

Массу контргруза определяют из условия равенства моментов сил тяжести элементов поворотной части крана относительно оси башни с учетом части рабочего груза Qгр:

Контргруз можно установить на специальной подвижной подвесной тележке, перемещаемой специальной лебедкой. В зависимости от величины поднимаемого краном груза тележка с контргрузом перемещается по контрстреле и автоматически уравновешивает момент от рабочего груза.

11.Стрелоподъемная лебедка (поз. 11 на рис. 2.8) и грузоподъемная лебедка (поз. 10 на рис. 2.8) размещены на противовесной консоли. На расчетной схеме лебедки изображены соответствующими прямоугольниками с размерами l × h, которые можно принять по табл. 2.6

взависимости от предполагаемого тягового усилия. Величину тягового усилия предварительно можно определить как и для кранов с поворотной башней.

12.Механизм поворота (поз. 12 на рис. 2.8) размещают на поворотном оголовке в пределах диаметра внутреннего венца зубчатого колеса ОПУ. В кранах с неповоротной башней также можно использовать соответствующий унифицированный механизм поворота с размерами из табл. 2.7.

13.На оголовке на специальной площадке устанавливается выдвижная унифицированная кабина (поз. 14 на рис. 2.8) управления краном. Расположение кабины должно обеспечивать наилучшую обзорность зоны подъема и перемещения груза. Размеры кабины принимают такими же, как и для кранов с поворотной башней.

14.Стрелоподъемный полиспаст (поз. 16 на рис. 2.8) у крана с маневровой стрелой образуется неподвижной обоймой блоков на вершине оголовка башни и системой блоков на оси головной части стрелы. Диаметр блоков стрелового полиспаста можно принять 450 мм.

Балочная стрела удерживается стреловым полиспастом, который крепится к стреле на расстоянии 2/3lc от ее опорного шарнира.

15.Грузовой полиспаст (поз. 15) на расчетной схеме для кранов с балочной стрелой выполняется аналогично грузовому полиспасту крана с поворотной башней и балочной стрелой.

54

2.4. Определение координат центра тяжести башенного крана

Определение координат центра тяжести (ЦТ) проектируемого крана выполняется в следующем порядке. На выполненной с соблюдением масштаба схеме крана намечают центры тяжести плоских геометрических фигур, которые отображают обозначенные соответствующие элементы крана в габаритных размерах. В принятых осях координат с учетом знака определяют координаты Хi, Yi центра тяжести каждого элемента, обозначенного на расчетной схеме. Все полученные результаты измерений заносят в табл. П.2 (табл. П.3), в которой названы все составляющие элементы кранов с неповоротной (или поворотной) башней.

Координаты ЦТ всего крана Хцтк и Уцтк подсчитывают по формулам, указанным в последней строке табл. П.2 (табл. П.3). Результаты вычислений представляют в той же строке таблицы. При расчете механизма поворота потребуется определить координаты ЦТ только одной поворотной части. Эти координаты вычисляются по аналогичным формулам

Для кранов с наклоняемой стрелой определяют координаты ЦТ при горизонтальной и наклонной к горизонту на 70° стреле. Для этого составляют две аналогичные таблицы: для крана с горизонтальной стрелой и для крана с наклоненной стрелой.

По найденным значениям координат на схеме крана отмечают соответствующие точки ЦТ приложения сил тяжести всего крана.

3. ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ КРАНА ПРОТИВ ОПРОКИДЫВАНИЯ

Согласно Федеральным нормам и правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов все краны должны быть устойчивы против опрокидывания в рабочем и нерабочем состояниях, а также при подъеме испытательного груза, при внезапном снятии нагрузки на крюке, при монтаже и демонтаже крана. Расчет устойчивости свободно стоящих кранов ведут согласно ГОСТ 13994 [3]. В курсовом и дипломном проектах следует провести проверку испытательной, грузовой и собственной устойчивости проектируемого крана.

3.1. Проверка крана на испытательную устойчивость

Проверка устойчивости при подъеме испытательного груза позволяет скорректировать массу балласта или контргруза крана. На рис. 3.1 приведена расчетная схема проверки испытательной устойчивости крана.

Кран стоит на горизонтальной площадке, действующими силами приняты собственный вес крана Gкр и вес испытательного груза Gисп. Устойчивость крана оценивается коэффициентом устойчивости:

где Мкр – удерживающий момент, создаваемый весом всего крана Gкр на плече lкр (расстояние от центра тяжести крана до ребра опрокидывания по горизонтали);

Мисп – опрокидывающий момент, создаваемый весом испытательного груза Gисп=1,25∙ Q·g на плече lгр (расстояние от груза до ребра опрокидывания по горизонтали). Величины lгр и Q принимаются согласно грузовой характеристике крана, если она задана. В курсовом и дипломном проектах обычно задан номинальный грузовой момент Мгр. Текущую величину

55

lгр при любом значении величины поднимаемого груза в пределах, ограниченных геометрическими параметрами крана, можно определить по формуле

где Б – база крана.

Рис. 3.1. Расчетная схема проверки испытательной устойчивости

Если неравенство (3.1) не выполняется, необходимо провести корректировку балласта или противовеса в сторону их увеличения. Получить новые координаты ЦТ до выполнения указанного неравенства.

Проведение статических испытаний грузоподъемного крана в условиях его эксплуатации согласно Федеральным нормам и правилам обеспечивает реальную проверку прочности элементов конструкции крана и проверку его устойчивости от опрокидывания. Статические испытания крана должны проводиться регулярно каждые три года при эксплуатации крана.

При проведении статических испытаний кран устанавливают на горизонтальной площадке в безветренную погоду. Кран должен поднять груз на 25% превышающий номинальный согласно грузовой характеристике. Груз поднимают на высоту 0,25 м от земли и удерживают тормозом грузовой лебедки в течение не менее 10 мин. Груз не должен опускаться. Отрыв от земли одной из опор крана не считается потерей устойчивости. По истечении этого времени груз опускают на землю и производят тщательный осмотр металлоконструкции, механизмов и других ответственных элементов крана с целью обнаружения возникших при испытании крана недопустимых деформаций, трещин, поломок. Если никаких отклонений не произошло, в паспорте крана отмечают успешные результаты статических испытаний.

3.2. Проверка грузовой устойчивости крана по ГОСТ 13994

Расчетное положение при проверке грузовой устойчивости принимается следующим (рис. 3.2). Кран стоит на площадке, имеющий уклон не более 3°. Стрела крана распложена под уклон. На кран действуют следующие нагрузки: сила тяжести собственного веса, сила тяжести

56

номинального груза в соответствии с грузовой характеристикой, сила давления ветра вдоль уклона с нормативной величиной для рабочего состояния заданного ветрового района.

Проверка устойчивости крана против опрокидывания заключается в проверке выполнения неравенства вида

где Кн – коэффициент нагрузки, учитывающий отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону;

Мопр – опрокидывающий момент составляющих нормативных нагрузок;

m0 – коэффициент условий работы. При расчете устойчивости кранов, работающих на строительстве (кроме гидротехнического), принимают m0 = 0,95.

Силы инерции, возникающие при торможении поднимаемого или опускаемого груза, при торможении крана и при повороте крана с грузом, учитываются в неравенстве (3.3) коэффициентом изменчивости нагрузок через коэффициент нагрузок Кн. Параметры, входящие в неравенство (3.3), определяют следующим образом.

Величина удерживающего момента Мкр с учетом угла уклона θ опорной поверхности, на которой располагается кран, может быть вычислена по формуле

где rцт – расстояние от оси вращения крана до его центра тяжести, а все выражение в квадратных скобках – плечо силы тяжести крана относительно ребра опрокидывания.

Рис. 3.2. Расчетная схема проверки грузовой устойчивости крана

Величина опрокидывающего момента для крана с балочной стрелой под действием силы тяжести номинального груза на максимальном вылете с учетом уклона опорной по-

57

верхности, ветровой фронтальной нагрузке рабочего состояния ∑Mвфк, моментов сил инерции вычисляют по формуле

Для кранов с наклоняемой стрелой величину опрокидывающего момента при подъеме максимального груза на минимальном вылете и ветровой фронтальной нагрузки рабочего состояния ∑Mвфк вычисляют по формуле

Величина ∑ Mвфк – момент фронтальной ветровой нагрузки рабочего состояния относительно ребра опрокидывания принимается из таблиц в зависимости от конструкции башни: для поворотной – табл. П.4, для неповоротной – табл. П.5. Контурную площадь груза Sгр в зависимости от его массы принимают по табл. П.7.

Коэффициент нагрузки Кн в формуле (3.3) учитывает динамические нагрузки, возникающие в процессе работы крана. Его определяют по формуле

где К1 – коэффициент надежности, принимаемый для рабочего состояния крана К1 = 5,5; для нерабочего состояния – К1 = 3.

К2 – коэффициент изменчивости нагрузки, определяемый по формуле

здесь МSг – момент относительно ребра опрокидывания от среднего квадратичного отклонения случайной составляющей силы тяжести номинального груза. Его вычисляют по формулам (3.9) или (3.10) соответственно для балочной и наклоняемой стрелы

Величину К3 принимают по табл. 3.1.

Таблица 3.1

Условия выбора коэффициента К3

MSв.к. – момент относительно ребра опрокидывания от среднего квадратичного отклонения случайной составляющей ветровой нагрузки на кран

где knв – коэффициент пульсации ветра, принимаемый по табл. 3.2.

58

Таблица 3.2 Значения коэффициента knв, учитывающего пульсирующий характер ветра

ξд – коэффициент динамичности для рабочего состояния крана, определяют по фор-

муле

где hцт и Н0(Нмакс) – высота центра тяжести крана и высота точки подвеса грузового полиспаста над плоскостью опорного контура для балочной (наклоняемой) стрелы;

Jкр = mкр∙ R² – момент инерции крана относительно ребра опрокидывания. Расстояние R от центра тяжести крана до ребра опрокидывания можно определить по расчетной схеме крана с учетом масштаба изображения или вычислить по формуле

ΣМвфк – действующий на кран момент силы ветра для рабочего состояния, принимается по результатам расчетов в табл. П.4 или П.5 в соответствии с вариантом задания на проектирование крана;

МSв.г. – момент относительно ребра опрокидывания от среднего квадратичного отклонения случайной составляющей ветровой нагрузки на груз;

МSв.г. = 0,1∙Мвгр; Мвгр – фронтальный опрокидывающий момент ветра рабочего состояния, действующий на груз. Значения параметров принимаются из табл. П.4 или П.5 строки "Параметры номинального груза". Грузоподъемность Q при минимальном вылете должна быть максимальной для наклоняемой стрелы;

МSд – момент относительно ребра опрокидывания от средних квадратичных отклонений случайных составляющих нагрузок, вызванных работой механизмов подъема груза и передвижения крана

где Vгр и Vкр – номинальные скорости подъема груза и передвижения крана, м/с;

lкр и lгр – расстояние центра тяжести крана и силы тяжести груза соответственно до ребра опрокидывания в соответствии с расчетной схемой (рис. 3.2).

3.3. Проверка собственной устойчивости крана

Проверка собственной устойчивости крана проводится в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 3.3. Кран стоит на площадке с уклоном не более 3° контргрузом под уклон. Наклоняемая стрела крана занимает положение для минимального вылета. На

59

кран действуют собственная сила тяжести и сила ветра нерабочего состояния, принятая для второго ветрового района.

Проверка собственной устойчивости крана должна подтверждать неравенство (3.3).

Опрокидывающий момент при расчете собственной устойчивости учитывает уклон опорной поверхности крана и ветровую нагрузку для нерабочего состояния крана в соответствии с нормативами, установленными для ветрового района эксплуатации крана. В табл. П.8 приведено динамическое давление (скоростной напор) ветра q на высоте до 10 м над поверхностью земли по ГОСТ 1451 в зависимости от ветрового района РФ для нерабочего состояния.

Величину опрокидывающего момента от ветра нерабочего состояния можно определить по формуле

где ∑Мвфк принимают по результатам расчетов в табл. П.4 или П.5 соответственно для крана с поворотной или неповоротной башней. Коэффициент квн получают делением величины динамического давления ветра qдн из табл. П.8 для заданного ветрового района на величину

qдр=125 Па.

Коэффициент надежности К1 в формуле (3.7) принимается равным К1 = 3.

Рис. 3.3. Расчетная схема для определения собственной устойчивости крана

60