7.3. Особенности расчета строительных башенных кранов

Общие требования к расчету. Расчет для проверки безопас­ности крана в рабочем и нерабочем состояниях, а также расчет эле­ментов крана на однократное действие наибольших нагрузок, т. е. на статическую прочность, необходимо проводить по ГОСТ 13994—81. Рабочим считают состояние, в котором кран полностью смонтирован и кран или его части (с грузом или без груза) могут перемещаться с помощью механизмов крана. Нерабочим считают состояние, в ко­тором груз отсутствует, кран отключен от источника энергии и уста­новлен в положение, предусмотренное инструкцией по эксплуатации; при монтаже и демонтаже; при погрузке (выгрузке) и перебазиро­вании крана в демонтированном виде (частично или полностью); при испытаниях крана. Требования к расчету металлических кон­струкций и деталей механизмов на усталостную прочность приве­дены в ГОСТ 13994—81.

В расчетах, за исключением проверки устойчивости крана и стрелы против опрокидывания, следует учитывать нормативные и случайные составляющие нагрузок (табл. 7.1). Сочетания нагрузок для расчета отдельных элементов крана выбирают из табл. 2 ГОСТ 13994—81. Например, при проверке двигателей и тормозов механизмов подъема груза по наибольшему моменту учитывают со­четания нагрузок I и V табл. 7.1, при проверке стрелового расчала и полиспаста подъема стрелы — сочетания I и IV.

Для обеспечения устойчивости и прочности крана в целом и элементов металлических конструкций и механизмов должны вы­полняться следующие неравенства: при сравнении усилий

при сравнении моментов и напряжений

где k — коэффициент перегрузки, учитывающий отклонение нагрузок в небла­гоприятную сторону (выбирают из табл. 4 ГОСТ 13994—81); N_И и N_P — соот­ветственно действительное значение усилия от нормативных составляющих нагру­зок и расчетная несущая способность по усилию; m₀ — коэффициент, учитываю­щий условия работы, m₀=m₁m₂, m₁ — коэффициент ответственности (выбирают из табл. 6 ГОСТ 13994 — 81); m₂ — коэффициент, учитывающий условия работы элемента или части металлической конструкции, детали механизма; для элементов, выполненных из швеллеров, соединенных стенкой, m₂ = 0,9, для деталей крепления канатов m₂ = 0,6; М_Н и M_Р — соответственно действительное значение момента от нормативных составляющих нагрузок и расчетная несущая способность по моменту; σ_Н — напряжение (нормальное или касательное) от нормативных со­ставляющих; R_Р — расчетное сопротивление, принимаемое для деталей механизмов равным меньшему из двух значений: 0,8 от предела текучести или 0,5 от пре­дела прочности.

При расчете несущей металлической конструкции крана на со­противление усталости учитывают наибольшее число циклов ра­боты с наибольшей массой груза, определяемое по формуле N₁=N_P/k_q, где N_Р — расчетное число циклов работы крана; k_q — расчетный коэффициент нагрузки крана. При расчете деталей ме­ханизмов, сопротивление усталости которых определяется циклами напряжений, обусловленными вращением рассчитываемых деталей, необходимо учитывать только наибольшее (возможное в пределах данной группы режима работы) время Т (час) работы механизма под нормальной нагрузкой, определяемое по формуле Т=T_Pk_P, где Т_Р — общее время работы механизма, ч; k_Р — расчетный коэф­фициент нагрузки.

Определение нагрузок на кран. Нормативную составляющую веса крана необходимо принимать из конструкторской документа­ции, нормативную составляющую веса груза — из грузоподъем­ности крана при данном значении вылета. Нормативную составляю­щую ветровой нагрузки следует определять как статическую состав­ляющую по ГОСТ 1451—77. Нормативная составляющая Р_П.Н горизонтальной динамической нагрузки при повороте, приложенной к грузу или к любой части стрелы, действует перпендикулярно плоскости подвеса стрелы и консоли. Текущее значение норматив­ной составляющей

где М_ИЗ6 — избыточ­ный момент на валу двигателя или тормоза механизма поворота; u₀ — общее передаточное число механизма поворота; L_i — расстоя­ние от оси вращения до центра тяжести груза или рассматриваемой части стрелы; m_i — масса груза или рассматриваемой части; J_∑ — суммарный момент инерции крана и груза относительно оси враще­ния. Для кранов с поворотной башней и противовесом, расположен­ным внизу, суммарная нормативная составляющая нагрузки, при­ложенной к точке подвеса груза

где R — вылет. Испытательную нагрузку следует устанавливать в соответствии с Правилами Госгортехнадзора СССР. Среднее квадратичное откло­нение случайной составляющей веса груза S_Q=k₃Q_И где Q_Н — нормативная составляющая веса груза; k₃ — коэффициент, зави­сящий от грузоподъемности крана и режима его работы и принимае­мый по табл. 10 ГОСТ 13994—81. Среднее квадратичное отклоне­ние ветровой нагрузки, т. е. динамическая составляющая (по ГОСТ 1451—77), вызванная колебаниями крана от пульсации ветра и действующая в месте приложения ветровой нагрузки, должно определяться по формуле

где W_H — нормативная со­ставляющая нагрузки; m_И — коэффициент пульсации ветра, за­висящий от высоты расположения опорного шарнира стрелы над поверхностью земли (принимают по табл. И ГОСТ 13994—81); ζ — коэффициент динамичности (принимают по табл. 12 ГОСТ 13994—81), зависящий от периода Т свободных колебаний (согласно ГОСТ 13994—81 Т= 1,5…4,5 с.). При работе механизма подъема груза необходимо определить средние квадратичные от­клонения случайных составляющих динамических нагрузок S_Д1 и S_Д2 (рис. 7.13, а). В процессе расчета средние квадратичные откло­нения случайных составляющих горизонтальных динамических на­грузок (например, 5Д1 на рис. 7.13, а, б) необходимо принимать не менее a₁(m_1П+m_2П), а составляющей вертикальной динамической нагрузки (например, S_Д2 на рис. 7.13, а, б) — не менее a₂m_3П, где a₁ = 0,1 м/с²; а₂ = 0,5 м/с²; m_1П, m_2П, m_3П —массы частей крана и груза (в кг), приведенные к точкам 1, 2, 3 конструкции (см. рис. 7.13). Аналогично определяют случайные составляющие

Рис. 7.13. Схемы к расчету строительных башенных кранов: а — расчет динамических нагрузок крана с наклонной стрелой; б — расчет динамических нагрузок крана с горизонтальной стрелой; в — расчет грузовой устойчивости

динамических нагрузок при расчете механизмов передвижения и по­ворота (согласно приводимым в ГОСТ 13994—81 схемам).

Расчет устойчивости свободно стоящих кранов и стрел против опрокидывания должен производиться для следующих условий: при действии груза (грузовая устойчивость); при отсутствии груза (собственная устойчивость); при внезапном снятии нагрузки на крюке; при монтаже и демонтаже. Расчет грузовой устойчивости проводят в соответствии с расчетной схемой на рис. 7.13, в. Удер­живающий момент М_УД = Q_И.Кb_K, где Q_И.К — нормативная состав­ляющая веса крана; b_К — расстояние от центра масс крана до вер­тикальной плоскости, проходящей через ребро опрокидывания, определенное с учетом уклона i пути крана в сторону опрокидывания i₁ = 0,02/B (рад) при пути, уложенном на бетонное основание, и i₁ = 0,05/B (рад) при пути на грунтовом основании или щебенке; здесь В — база крана]. Опрокидывающий момент от нормативных составляющих нагрузок М_Н = Q_H1b_Q+M_HW, где Q_H1 — норматив­ная составляющая веса груза; М_НW — момент нормативной состав­ляющей ветровой нагрузки рабочего состояния относительно ребра опрокидывания; b_Q — расстояние от точки подвеса грузового поли­спаста до вертикальной плоскости, проходящей через ребро опроки­дывания, определенное с учетом наклона крана в сторону опроки­дывания.

Расчет механизмов и металлических конструкций строительных башенных кранов производят с учетом рассмотренных выше требо­ваний ГОСТ 13994—81. Динамика механизма подъема на базе двух-массовой расчетной схемы, а также динамика механизма передви­жения рассмотрены в работе [8]. Коэффициенты сопротивления передвижению следует определять с учетом значений величин, принимаемых по ГОСТ 13994—81. Расчет механизма изменения вы­лета кранов с тележками и канатной тягой рассмотрен в работе [2]. Расчет механизмов изменения вылета башенных кранов с подъем­ными стрелами и канатными уравнительными устройствами прин­ципиально не отличается от расчета полиспастных механизмов из­менения вылета портальных кранов (см. п. 6.6).