Особенности расчета грейферных механизмов грузоподъемных кранов
И.И. Абрамович, канд. техн. наук
В настоящее время при проектировании и расчете грейферных механизмов козловых и мостовых кранов существуют различные подходы к определению нагрузок замыкающей и подъемной лебедок. В статье даны обоснования и рекомендации, позволяющие достаточно точно и однозначно выполнить расчет конкретного грейферного механизма {или группы однотипных механизмов).
Современные грейферные краны оборудуют за редким исключением двухканатными грейферами и грейферными механизмами с двумя идентичными канатными лебедками -подъемной и замыкающей. При проектировании этих механизмов возникает вопрос о распределении нагрузок между лебедками. Традиционно принималось, что каждая лебедка должна рассчитываться на нагрузку, равную 60% общего веса грейфера с грузом. Это положение, в частности, соответствовало нормам расчета канатов по действующим до 1992 г. Правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов [1]. Так выполнены грейферные механизмы практических всех кранов промышленного назначения, серийно выпускавшихся крупными краностроительными предприятиями Министерства тяжелого машиностроения СССР.
В последующем в Правилах принята методика стандарта ИСО, предусматривающая выбор канатов только в зависимости от группы режима работы механизма подъема. Это положение сохранено как в новой редакции стандарта ИСО [2], так и в действующих с 2001 г. Правилах [3].
Наблюдения за работой грейферных механизмов и результаты многочисленных экспериментов показывают, что усилие S3 в замыкающих канатах в ходе зачерпывания и транспортировки материала варьируется от 20 до 100% от суммарного веса F = (Q + G) грейфера с грузом. В подъемных канатах усилие Sn составляет от 20 до 50% от этой величины, а в случае зависания груза в челюстях при разгрузке - до (65 - 85)% F (см., например, [4]).
В практике краностроения ряд предприятий продолжает проектировать лебедки, исходя из нормы [1]. Известны также предложения о расчете замыкающих канатов, исходя как из полного суммарного веса F [5], так и из его половины [6]. Нормы FEM [7] для механизмов, у которых предусмотрено автоматическое выравнивание натяжения между замыкающими и подъемными канатами, или повышенные нагрузки на замыкающие канаты действуют кратковременно, рекомендуют как для замыкающих, так и для подъемных канатов расчетные усилия принимать, на основе 66% от суммарной нагрузки. ВНИИПТМАШ предлагает приводы как замыкающих, так и подъемных лебедок рассчитывать, исходя из 80%, а канаты - 60% F [8].
Правомерность проверки канатов на нагрузку, равную 50-60% F, иногда обосновывают тем, что их рассчитывают со значительным запасом прочности. Это было справедливо для действовавших ранее норм, когда все грейферные краны, вне зависимости от интенсивности их использования, относили к тяжелому или весьма тяжелому режиму работу. Однако теперь отнесение к группе режима производят только исходя из фактической (или ожидаемой) загрузки. При этом не исключена возможность отнесения механизмов к группам режима ограниченной интенсивности, например, МЗ - М4, чему соответствуют значения коэффициентов запаса (использования) 3,55 - 4,0, не обеспечивающие необходимой безопасности работы крана.
Между тем, в рамках действующей системы режимной классификации [3] имеется возможность достаточно точно и однозначно выполнить расчет конкретного грейферного механизма (или группы однотипных механизмов). На рисунке представлен типовой график изменения усилий S3 и Sn в канатах грейфера за цикл его работы. При транспортировке грейфер удерживается подъемными канатами (I), для зачерпывания груза его опускают (II), в начале зачерпывания (111) подъемная лебедка остановлена или работает на выборку слабины каната, замыкающий полиспаст сокращается, и натяжение его канатов плавно возрастает до величины F. За счет инерции вращающегося ротора приводного двигателя в конце замыкания возможно незначительное превышение S3 относительно F, что, однако, в расчетах обычно не учитывают. После этого замыкающий канат, преодолевая сопротивление силы тяжести грейфера и груза, отрывает грейфер от земли (VI); через 1 - 2 с включают подъемную лебедку, и натяжение обоих канатов быстро уравнивается. В дальнейшем грейфер поднимается, а затем, если нужно, и опускается на обоих канатах (V), причем S3 примерно равно Sn. При опорожнении усилие S3 уменьшается до нуля, a Sn, после кратковременного повышения, остается равным собственному весу грейфера G (VI).
В соответствии с [3] группа режима работы механизма, в данном случае замыкающей грейферной лебедки,, определяется сочетанием класса использования и режима работы.