Обеспечение устойчивости грузоподъемных машин (ГПМ) является важнейшим условием при разработке систем управления их рабочими операциями. Это связано, во-первых, с тем, что около половины всех аварий мобильных ГПМ связано с их опрокидыванием, во-вторых, с тем, что потеря устойчивости приводит, как правило, к разрушению самой машины без возможности ее дальнейшего восстановления, а также возможным вторичным разрушениям и человеческим жертвам. Особенно это важно, когда по тем или иным причинам грузоподъемная машина в процессе эксплуатации испытывает на себе ненормируемые внешние воздействия, представляющие собой просадку почвы под выносными опорами, ветровые нагрузки, ошибки оператора-крановщика.
В настоящий момент наиболее распространенным устройством, позволяющим контролировать устойчивость установки, является ограничитель грузового момента, работающий в индикаторном режиме, и не влияющий на управление машиной до момента достижения критического значения устойчивости. Использование такой системы может привести, вследствие динамических нагрузок при резком трогании груза, в худшем случае - к опрокидыванию, в лучшем - к остановке работы с грузом, который мог бы быть поднят при более плавном разгоне.
Устойчивость стреловых самоходных (гусеничных, пневмоко-лесных, железнодорожных), автомобильных и тракторных кранов характеризуется коэффициентами грузовой и собственной устойчивости, минимальные значения которых регламентируются Правилами Госгортехнадзора.
Коэффициенты грузовой устойчивости определяются для двух расчетных случаев:
а) без учета дополнительных нагрузок
б) с учетом дополнительных нагрузок
а - определение грузовой устойчивости; б - определение собственной устойчивости;
Рисунок 7. Схема крана к расчету устойчивости.
Отличительной особенностью стреловых кранов является подъем груза в зоне, выходящей за пределы опорного контура крана. Поэтому их устойчивость в процессе подъема груза обеспечивается только собственным весом. Действующие на кран внешние нагрузки создают относительно одного из краев опорного, контура (ребра опрокидывания) опрокидывающий момент, а собственный вес крана — соответственно восстанавливающий момент. Для разных положений крана величины опрокидывающих и восстанавливающих моментов различны в связи с изменением положения центра тяжести крана относительно опорного контура.
Следовательно, устойчивость крана должна быть обеспечена для всех его положений при любых возможных комбинациях нагрузок. К этим нагрузкам относятся: вес поднимаемого груза, инерционные воздействия в периоды пуска и торможения механизма подъема груза, центробежная сила, возникающие при вращении поворотной части крана с грузом, ветровое давление на груз и конструкцию; крана.
Степень устойчивости крана в положении его устойчивого равновесия определяется коэффициентами грузовой и собственной устойчивости. Первый коэффициент выражает степень устойчивости крана по отношению к опрокидывающему моменту поднимаемого краном груза, а второй — степень устойчивости неработающего крана от внешних воздействий (ветра и уклона местности).
Согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации кранов» Госгортехнадзора, проверка устойчивости свободностоящих стреловых кранов должна производиться путем определения численных значений коэффициентов грузовой и собственной устойчивости и сравнения их с допускаемыми по Правилам Госгортехнадзора.
Коэффициент грузовой устойчивости определяется (рисунок 8) в двух случаях:
1) на кран, установленный на горизонтальной площадке, действует только опрокидывающий момент от веса груза. Коэффициент устойчивости при этом может быть выражен как частное от деления алгебраической суммы моментов относительно ребра опрокидывания всех сил веса, действующих на кран (кроме груза), на момент от груза относительно того же ребра опрокидывания:
2) кран установлен на уклоне в сторону груза. Этот уклон принимается для гусеничных кранов 3°, автомобильных и пневмоколесных кранов на аутригерах 1,5° и без аутригеров 5°; а для железно-, дорожных кранов на аутригерах 3° и без аутригеров 5°. На кран и груз в сторону опрокидывания действует ветер интенсивностью 25 кгс/м2 (см. ГОСТ 1451 —65 «Краны подъемные. Нагрузка ветровая»).
Рисунок 8. Схема действующих нагрузок на стреловой кран.
Учитывая, что груз подвешен на гибкой нити, точкой приложения силы ветра на груз будет головка стрелы крана.
Большинство современных стреловых кранов опускают груз не на тормозе, а реверсированием механизма подъема. Если же кран не имеет реверсивного механизма для спуска груза, то скорость опускания принимается до 1,5 раз большей скорости подъема груза. Расчетное время торможения при этом составит 3 с для кранов грузоподъемностью до 16 т и 5 с для кранов большей грузоподъемности.
С увеличением угла а уклона местности, на которой кран установлен, уменьшаются плечи моментов сил, удерживающих кран от опрокидывания (или иначе — увеличиваются плечи сил, стремящихся опрокинуть кран). Вылет же стрелы с грузом сохраняется при этом неизменным, соответствующим поднимаемому грузу независимо от уклона, на котором установили кран.
Этот метод расчета устойчивости, предусмотренный Правилами Госгортех-надзора, пригоден в основном для контрольной проверки устойчивости изготовленного крана, но не может быть использован в процессе проектирования крана для определения места целесообразного положения центра тяжести с целью максимально возможного снижения его веса. Кроме того, он почти совершенно не отражает дифференцированного подхода к расчету устойчивости кранов с низким и высоким расположением центра тяжести (например, башенных). Нетрудно установить, что при одних и тех же численных значениях коэффициента грузовой устойчивости. По Госгортехнадзору «склонность к опрокидыванию» у высоких кранов оказывается большей, чем у низких.
Для кранов с высоким расположением центра тяжести (на железнодорож
ном ходу, стреловых с длинными телескопическими стрелами и др.) целесообразно дополнительно проверять устойчивость по так называемому угловому коэффициенту, т. е. в зависимости от критических углов наклона крана в сторону груза и противовеса.
Незначительное отклонение крана от положения равновесия, вызванное внешней силой, не является для него опасным и после прекращения действия этой силы кран возвратится в первоначальное положение. Но если внешняя сила придаст крану отклонение, при котором равнодействующая всех сил пройдет через ребро опрокидывания, то кран при прекращении действия этой силы уже не сможет вернуться в прежнее положение и будет находиться в положении неустойчивого равновесия.
При различном положении центра тяжести крана относительно ребра опрокидывания углы, на которые нужно повернуться крану для перехода его в положение неустойчивого равновесия, будут различными. Таким образом, величины этих углов а± в сторону груза и а2 в сторону противовеса, определяемые положением центра тяжести крана, могут характеризовать степень устойчивости крана.
Рисунок 9. Схема нагрузок при расчете углового коэффициента устойчивости крана
В паспорте каждого стрелового крана имеется кривая, показывающая его грузоподъемность на различных вылетах стрелы. Кривые построены на основе расчета грузовой устойчивости для трех случаев — с номинальным грузом на минимальном вылете, с минимальным грузом на максимальном вылете и в одном из промежуточных положений. Если кран может работать со стрелами разной длины, то кривые грузоподъемности должны быть предусмотрены для каждой из них, а также для работы на выносных опорах (аутригерах) и без них.
Стреловые краны в соответствии с требованиями Госгортехнадзора оборудованы ограничителями грузоподъемности, не допускающими подъем грузов, масса которых превышает грузоподъемность крана на соответствующем вылете стрелы.
При работе крана на выносных опорах нельзя поднимать груз без надежной их установки, а также с не включенным стабилизирующим устройством рессор. При мягком или вязком грунте под домкраты выносных опор нужно подкладывать прочные бруски, шпалы, толстые доски и т. д.
Автомобильные и пневмоколесные краны запрещается устанавливать для работы на свеже отсыпанные и не утрамбованные грунты, а выносные опоры — располагать на краю откосов, кюветов, канав, котлованов.
Рабочие движения крана по подъему, опусканию и повороту груза, а также изменению вылета стрелы должны производиться плавно, без рывков.
Не разрешается поднимать груз, находящийся в неустойчивом положении, отрывать засыпанный или примерзший груз, подтягивать грузы крюком, оставлять кран с подвешенным грузом, работать в непосредственной близости от электрических проводов, переносить грузы над людьми, а также находиться под стрелой, грузом или вблизи работающего крана, смазывать и регулировать механизмы крана во время работы.
Перед подъемом груза или поворотом крановщик обязан подать звуковой сигнал. Лица, не имеющие прямого отношения к производимой работе, не должны находиться ни на кране, ни вблизи него.
2.1 Виды устойчивости кранов
Различают два вида устойчивости кранов: грузовую — при возможном опрокидывании крана в сторону поднимаемого груза; собственную — при возможном опрокидывании крана назад, в сторону противовеса.
Показателем, характеризующим грузовую устойчивость, является коэффициент устойчивости, представляющий собой отношение удерживающего момента Му, создаваемого силой тяжести всех частей крана с противовесом, за вычетом ветровой нагрузки Мв, инерционных сил, возникающих при торможении груза Ми, и допустимого уклона опорной площадки к грузовому моменту Мг. Допустимый уклон а принимается равным для башенных кранов — 2°, для самоходных стреловых — 3°.
Определение моментов производится относительно ребра опрокидывания, проходящего у башенных кранов по оси головки рельса, у самоходных стреловых кранов на пневмоходу по оси боковых выносных опор, у гусеничных кранов по оси рамы гусеничной тележки. Во всех случаях ось поворотной платформы перпендикуляр на ребру опрокидывания.