Эксплуатационная безопасность строительных машин. методические указания к выполнению курсовых и дипломных проектов. Калинин Ю.И., Буянов В.И

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Воронежский государственный технический университет"

Кафедра строительной техники и инженерной механики имени профессора Н. А. Ульянова

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Методические указания

к выполнению курсовых и дипломных проектов для студентов, обучающихся по направлениям подготовки

23.03.03 "Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов", 20.03.01 "Техносферная безопасность"

Воронеж 2020

1

УДК 69.057/075/69.059.32/075/ ББК 33.5.7

Составители:

Ю. И. Калинин, В. И. Буянов, В. Н. Хромкин

Эксплуатационная безопасность строительных машин: методические указания к выполнению курсовых и дипломных проектов / ФГБОУ ВО "Воронежский государственный технический университет"; сост.: Ю. И. Калинин, В. И. Буянов, В. Н. Хромкин. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2020. – 34 с.

Методические указания предназначены для оказания помощи студентам при освоении дисциплин "Теория подъемно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования" ,"Безопасность жизнедеятельности в техносфере". Методические указания ориентируют студентов на потенциально опасные факторы, связанные с машинами строительного комплекса, которые могут привести к авариям или несчастным случаям на строительной площадке.

Предназначены для студентов направлений подготовки 23.03.03 "Экс-

плуатация транспортно-технологических машин и комплексов", 20.03.01 "Техносферная безопасность". Указания также могут быть полезны для

периодической аттестации персонала, организующего безопасную работу на строительной площадке.

Ил. 25. Табл. 6. Библиогр.: 7 назв.

УДК 69.057/075/+69.059.32/075/ ББК 33.5.7

Рецензент – А. В. Еремин, канд. техн. наук, доцент кафедры проектирования дорог и мостов ВГТУ

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

2

Введение

Современный строительный комплекс не может обходиться без использования строительных машин самого различного назначения. Грузоподъемные, транспортные, дорожно-строительные машины, оборудование для переработки строительных материалов, ручной строительный инструмент – все эти средства имеют мощные двигатели, призванные облегчить или устранить ручной труд. Вместе с этим они создают определенную угрозу жизни и деятельности людей, взаимодействующими с ними или находящимися вблизи. Все эти средства являются средствами повышенной опасности.

Особую группу строительных машин составляют машины, которые относятся к опасным производственным объектам (ОПО). Все машины и другие объекты, отнесенные к ОПО, находятся под непосредственным контролем Ростехнадзора – государственной структуры, подчиняющейся правительству Российской Федерации.

В группу ОПО из строительных машин входят грузоподъемные краны, подъемники, лифты, эскалаторы, сосуды, содержащие газы и жидкости под давлением. Составляющими ОПО могут быть другие машины, имеющие в своем составе выше названные ОПО объекты, а также участки, цеха, хранилища или другие составляющие производственного процесса, которые связаны по технологическому или территориальному принципу и имеющие в составе опасные производственные объекты. Требования безопасности этих машин и объектов прописаны в специальных технических регламентах.

Безопасность – это состояние машин, как объектов, и их эксплуатация, при которой отсутствуют риски, связанные с причинением вреда персоналу и окружающей среде. Это защищенность жизненно важных интересов личности и общества от аварий на ОПО и последствий указанных аварий.

Безопасность указанных строительных машин как ОПО должна быть обеспечена как на стадии проектирования этих машин, так и при их эксплуатации.

1. Обеспечение устойчивости машин как фактор их безопасности

Анализируя потенциальные угрозы строительных машин, в первую очередь остановимся на грузоподъемных кранах как источниках потенциальной опасности, создающие угрозу причинения вреда человеку, имуществу, окружающей среде вследствие аварии. Опасность аварии на грузоподъемном кране или другой транспортной машине обеспечивающей перемещение различных грузов, в том числе опасных грузов (взрывчатых веществ, химически опасных грузов, радиоактивных веществ, расплавленного металла), создает угрозу разрушения технических устройств, разрушения сооружений взрывом, выбросу опасных веществ, нанесению вреда человеку и окружающей среде.

3

Исследуя факторы, приводящие к авариям и несчастным случаям с участием строительных машин, можно назвать в общем случае следующие причины:

-потеря устойчивости машин (опрокидывание);

-техническая неисправность элементов машин;

-нарушение требований инструкций по эксплуатации строительных машин.

Устойчивость от опрокидывания при работе подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин является одним из основных свойств, характеризующих их эффективность и безопасность работы. Особые требования предъявляются к устойчивости от опрокидывания грузоподъемных машин. Из всех видов грузоподъемных машин особое внимание должно быть уделено устойчивости от опрокидывания при эксплуатации башенных кранов. Опрокидывание башенного крана приводит к значительным материальным потерям и, как правило, к несчастным случаям.

Опрокидывание любой строительной машины происходит в тот момент, когда равнодействующая всех внешних сил, включая собственный вес машины, проходит за пределами опорного контура.

Если грузоподъемные машины, как правило, имею постоянный опорный контур, то дорожно-строительные машины могут иметь переменную структуру опорного контура. Даже машины с жесткой рамой можно отнести к машинам с постоянным опорным контуром условно. На самом деле из-за деформации шин

иупругих элементов подвески постоянного опорного контура практически нет.

Вполной мере переменные структуры опорных контуров характерны для колесных машин с шарнирно-сочлененной рамой. Гусеничные машины с регулируемой колеей также имеют переменный опорный контур. На рис. 8. 15 опорные контуры колесных машин с жесткой рамой образуют продольные и поперечные ребра опрокидывания, проходящие через центры отпечатков передних и задних колес на грунте.

Шарнирно-сочлененные машин (рис. 1, б) имеют вертикальный шарнир, позволяющий складываться машине в плане на угол φ. Шарнир с горизонтальной осью позволяет обеспечивать поперечное качание одного моста относительно другого. В таких машинах условно различают балансирную часть, опирающуюся на горизонтальный шарнир. Небалансирной частью считается часть, несущая корпус горизонтального шарнира. Балансирная и небалансирная части машины имеют независимые ребра опрокидывания.

Опорный контур балансирной части представляет собой равнобедренный треугольник БСГ (рис. 1, б).

После блокировки шарнирного сочленения машины, ребра опрокидывания проходят через центры отпечатков передних и задних колес машины с опорной поверхностью.

4

Рис. 1. Конфигурация опорных контуров:

а – постоянный опорный контур; б – переменная структура опорного контура шарнирно-сочленненой машины

При движении строительных машин по пересеченной местности на грунтах с низкой несущей способностью возникает опасность сползания машины под уклон. Устойчивость к сползанию определяется сцепными качествами движителя с грунтом. Из схемы нагружения машины только собственным весом при движении на подъем (рис. 2 ) следует условие отсутствия сползания на уклоне с углом α

φ G·cos α ≥ G·sin α, и, следовательно, φ ≥ tg α.

Рис. 2. Схема действующих на тяговую машину сил при движении на подъем

5

Одним из условий нарушения продольной устойчивости является отрыв колес переднего или заднего мостов от опорной поверхности. В этом случае при движении на подъем реакция Z1 = 0. При движении под уклон реакция Z2 = 0. Ребром опрокидывания (осью опрокидывания) при движении на подъем является линия контакта задних колес с опорной поверхностью. Уранение моментов сил, действующих на машину, относительно ебра опрокидывания будет иметь вид

G·a·cos α - G·h·sin α - Pпр hпр cos β - Pпр c· sinβ - Mf -Mjк - Pw hw- Pj h = 0,

где hw – плечо сил Pw лобового сопротивления воздуха;

hпр – плечо силы Pпр от прицепного технологического оборудования; с – плечо составляющей силы от прицепного устройства;

Pj – сила инерции поступательно движущейся массы машины; Mjк – инерционный момент колес машины.

Mf – момент сопротивления качению колес машины.

Полученное уравнение позволяет определить предельные углы подъема, при которых возможно продольное опрокидывание машины.

Поперечная устойчивость машины опрделяется из соотношения сил при движении ее по косогору. Ребром опрокидывания в этом случае будет линия, соединяющая центры пятна контакта переднего и заднего колеса (рис. 3). Поперечное опрокидывание машины происходит при выходе направления действия силы тяжести машины за пределы ребра опрокидывания. Предельный угол косогора при потере боковой устойчивости (опрокидывании) в отсутствии дополнительных сил (боковой ветер) определяется соотношением ширины колеи и высоты центра масс:

tg β = 0,5·B·h.

Рис. 3. Расчетная схема для определения боковой устойчивости машины

6

2. Устойчивость грузоподъемных кранов от опрокидывания

Устойчивость свободностоящих грузоподъемных машин независимо от конструкции характеризуется их способностью противостоять опрокидыванию под действием внешних нагрузок и оценивается коэффициентом устойчивости

ку =∑ Mуд / ∑Mопр > 1,

где ∑ Mуд – сумма моментов сил, удерживающих машину;

∑ Mопр - сумма моментов сил, опрокидывающих ее.

Удерживающими силами являются силы, линия действия которых проходит через опорный контур, а вектор силы направлен к опорной поверхности. Все остальные силы являются опрокидывающими. Удерживающей силой является сила тяжести самой машины, приложенная в центре тяжести в пределах опорного контура. Опрокидывающими силами являются силы инерции, давление ветра, составляющая сил тяжести при расположении машины на поверхности с допустимым уклоном. Моменты сил вычисляются относительно ребра опрокидывания. За ребро опрокидывания в расчетах обычно принимают линию опорного контура с наименьшим расстоянием до проекции центра тяжести машины на опорную плоскость. При определении коэффициента устойчивости машины удерживающие силы и плечи их действия принимаются минимальными, а опрокидывающие силы и их плечи принимаются максимальными. Расположение линий опорного контура у передвижных машин принимают в зависимости от вида ходового оборудования: для рельсового ходового оборудования – по вершинам головок рельсов, по диаметральным плоскостям ходовых колес или по осям шарниров балансиров; у гусеничных машин – по линии контакта опорных катков с гусеничной лентой или по диаметральным плоскостям ведущих (натяжных) звездочек; при работе на выносных опорах – по центрам контакта опорных элементов с подкладками.

Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10–382-00 требуют обеспечить устойчивость кранов против опрокидывания

вследующих случаях:

-при удержании испытательного груза;

-при работе с номинальным грузом;

-в нерабочем состоянии;

-при монтаже;

-при внезапном снятии нагрузки (срыве груза).

Устойчивость должна гарантироваться проектной документацией, обеспечиваться заводами-изготовителями и эксплуатирующими организациями в соответствии с инструкцией по эксплуатацией крана и паспортными данными.

Устойчивость кранов при подъеме испытательного груза проверяется во время полного технического освидетельствования при статических испытаниях

7

∑ Мвк – суммарный момент сил ветрового давления, действующих на элементы крана параллельно опорной плоскости, относительно ребра опрокидывания;

Мвг - момент силы ве трового давления, действующей на груз параллельно опорной плоско сти и приложенный к голове стрелы, относительно ребра опрокидывания;

Миг – момент сил ине рции при подъеме (опускании) груз а в период неустановившегося движения относительно ребра опрокидывания;

Мцг – момент центро бежных сил инерции, действующих на груз при вращении крана, от носительно ребра опрокидывания;

Мис - момент сил инерции при подъеме (опускании) стре лы в период неустановившегося движения относительно ребра опрок идывания.

Мгр - момент силы тяжести груза относительно ребра опрокидывания с учетом уклона опорной поверхности α.

Рис. 5. Схема для проверки грузовой устойчивости башенного крана

Проверка собственной устойчивости крана принимается для нерабочего состояния по расчетной схеме на рис. 6. В этом случае учит ывается действие сил тяжести крана с учетом уклона опорной поверхности и действие силы ветра нерабочего состояния для конкретного ветрового района. Уклон опорной поверхности принимается в сторону ребра опрокидывания. Коэффициент собственной устойчивости определяют по формуле

9