ISO 12210-5:2018: Требования устойчивости мостовых и козловых кранов
Обзор стандарта: ISO 12210-5:2018 «Краны — Требования к устойчивости — Часть 5: Мостовые и козловые краны» — это специализированный стандарт в серии ISO 12210, регламентирующий устойчивость мостовых кранов. Стандарт устанавливает методы проверки устойчивости против опрокидывания мостовых и козловых кранов в трёх состояниях: рабочее состояние, нерабочее состояние, а также монтаж и демонтаж. Данный стандарт является базовым расчётным документом, обеспечивающим конструктивную безопасность мостовых и козловых кранов.
Потеря устойчивости мостового или козлового крана — в обиходе называемая «опрокидыванием» или «сходом с рельса» — относится к наиболее тяжёлым видам аварий. В 2019 году в одном из портов козловой кран грузоподъёмностью 40 т при внезапном шквальном ветре 10 баллов сместился вдоль рельсового пути, сошёл с рельсов и опрокинулся, что привело к полному разрушению крана и остановке порта на 3 месяца. ISO 12210-5 устанавливает методы проверки устойчивости кранов при воздействии ветровой нагрузки, инерционных сил и случайных ударных нагрузок, что позволяет принципиально предотвратить подобные аварии.
Комбинации нагрузок при проверке устойчивости
ISO 12210-5 устанавливает комбинации нагрузок для трёх расчётных случаев. Рабочее состояние: собственный вес + номинальная нагрузка + ветровая нагрузка в рабочем состоянии (скорость ветра 20 м/с, ветровое давление 250 Па) + коэффициент динамической нагрузки при подъёме φ₂. Критерий проверки: стабилизирующий момент / опрокидывающий момент ≥ 1,33 (т.е. коэффициент запаса устойчивости против опрокидывания ≥ 1,33). Нерабочее состояние (остановка с анкеровкой): собственный вес + ветровая нагрузка в нерабочем состоянии (по максимальной скорости ветра с повторяемостью один раз в 50 лет для данного региона, ветровое давление ≥ 800 Па). Критерий проверки: коэффициент запаса ≥ 1,2. Монтаж и демонтаж: собственный вес + монтажная нагрузка + скорость ветра 8,3 м/с (ветровое давление 50 Па). Критерий проверки: коэффициент запаса ≥ 1,1.
Для козловых кранов, эксплуатируемых на открытом воздухе, ветровая нагрузка, как правило, является определяющей для устойчивости. На примере козлового крана грузоподъёмностью 50 т с пролётом 35 м: при скорости нерабочего ветра 38 м/с (тайфун 13 баллов) поперечное ветровое усилие, действующее на главную балку и опоры, может достигать 120 кН и более — это эквивалентно горизонтальному усилию 12 т, приложенному к верху опоры. Данное усилие должно быть передано на фундамент через анкерное устройство и рельсовый зажим.
Пример расчёта устойчивости против опрокидывания
Рассмотрим однобалочный козловой кран типа MH грузоподъёмностью 20 т с пролётом 25 м: собственный вес G = 45 т (441 кН), номинальная нагрузка Q = 20 т (196 кН), собственный вес тележки Gt = 3 т (29,4 кН). Наиболее неблагоприятный расчётный случай — подъём номинального груза при полностью выдвинутой консоли в условиях максимального рабочего ветра. Стабилизирующий момент Mstab = 441 × (25/2) + 29,4 × (25/2) = 5880 кН·м.
Опрокидывающий момент Movert складывается из трёх составляющих: опрокидывающий момент от номинальной нагрузки 196 × (25/2) = 2450 кН·м (возникает при эксцентричном подъёме груза); опрокидывающий момент от ветровой нагрузки, действующей на боковую поверхность главной балки, рассчитывается по формуле Fw = A × p × Cf: площадь боковой поверхности главной балки 25 × 1,8 = 45 м², ветровое давление 250 Па, аэродинамический коэффициент Cf = 1,6, плечо опрокидывающего момента от ветра (от центра главной балки до головки рельса) 10 м, получаем 45 × 0,25 × 1,6 × 10 = 180 кН·м; опрокидывающий момент от горизонтальной инерционной силы — около 100 кН·м. Суммарный опрокидывающий момент = 2730 кН·м. Коэффициент запаса устойчивости = 5880 / 2730 = 2,15 > 1,33, что удовлетворяет требованиям ISO 12210-5.
Защита от сдвига и ветровой якорь
ISO 12210-5 также устанавливает требования к устойчивости крана против сдвига вдоль рельсового пути. Коэффициент трения покоя между ходовым колесом мостового крана и рельсом принимается равным 0,14 (сталь по стали, сухое состояние). Сумма удерживающего усилия, создаваемого тормозом, и силы трения колёс должна превышать горизонтальное сдвигающее усилие от ветровой нагрузки с коэффициентом запаса ≥ 1,5. При недостаточности пассивных удерживающих усилий необходимо устанавливать рельсовый зажим или анкерное устройство.
Рельсовые зажимы по усилию зажатия подразделяются на ручные винтовые (≥ 50 кН), гидравлические (≥ 150 кН) и электрические пружинные (≥ 100 кН). Анкерные устройства по классу защиты от ветра подразделяются на класс A (устойчивость к ветру 12 баллов, скорость ветра < 36,9 м/с) и класс B (устойчивость к ветру 14 баллов, скорость ветра < 44,7 м/с). В прибрежных районах с частыми тайфунами анкерные устройства должны соответствовать классу B. ISO 12210-5 требует, чтобы сварные швы соединений и анкерные болты анкерного устройства рассчитывались с коэффициентом запаса 1,5 по максимальной ветровой нагрузке нерабочего состояния.
Проверка устойчивости испытаниями
Вновь смонтированные или прошедшие капитальный ремонт мостовые и козловые краны подлежат испытанию на устойчивость. Метод испытания, установленный ISO 12210-5: статические испытания — 1,25 номинальной нагрузки, тележка в наиболее неблагоприятном положении, подъём груза на высоту 100–200 мм с выдержкой в течение 10 минут. В ходе испытания контролируется зазор между нижней частью опоры или концевой балки и рельсом — если зазор отрыва опоры от рельса превышает 2 мм, это свидетельствует о недостаточности стабилизирующего момента против опрокидывания и наличии риска опрокидывания конструкции.
Динамические испытания — 1,1 номинальной нагрузки, тележка совершает полный ход по пролёту, выполняется по 3 цикла подъёма и опускания груза. В процессе движения контролируется отсутствие разгрузки ходовых колёс моста крана (зависания). Обнуление давления любого колеса является признаком неудовлетворительной динамической устойчивости.
| расчётный случай проверки | Коэффициент запаса прочности | ветерНагрузка | критическийкомбинация нагрузок |
|---|---|---|---|
| эксплуатацияусловия эксплуатации | ≥1.33 | рабочий ветер 250Pa | Собственный вес+Q+ветер+φ₂ |
| неэксплуатационныйусловия эксплуатации | ≥1.2 | экстремальный ветер≥800Pa | Собственный вес+экстремальный ветер+анкеровка |
| монтажусловия эксплуатации | ≥1.1 | 50Pa | Собственный вес+монтажНагрузка |
Часто задаваемые вопросы
В: Нужно ли учитывать ветровую нагрузку для мостового крана внутри цеха?
О: Для мостовых кранов, работающих внутри цеха, ветровая нагрузка, как правило, не учитывается. Исключения: ① полуоткрытый цех, где ворота часто открыты и их площадь превышает 30% площади боковой стены — в этом случае ветер может воздействовать на главную балку через проем ворот; ② межпролетная транспортировка — при перемещении груза из пролета А в пролет Б через деформационный шов или открытый проход, ветровая нагрузка на этом участке должна быть включена в проверку устойчивости. На это прямо указывается в примечаниях к ISO 12210-5.
В: Нужен ли рельсовый зажим после анкеровки козлового крана?
О: Да, нужен. Анкерное устройство (анкерный штифт + грунтовый анкер) фиксирует кран в продольном направлении на рельсе, предотвращая смещение моста крана. Однако анкерное устройство имеет люфт примерно 5–10 мм (зазор между штифтом и отверстием анкерного колодца), из-за чего при порывах ураганного ветра возникает ударная нагрузка. Рельсовый зажим зажимает головку рельса напрямую, передавая ветровое усилие без зазора. ISO 12210-5 рекомендует в регионах со скоростью ветра ≥30 м/с применять одновременно анкеровку и рельсовый зажим — они взаимно резервируют друг друга: при отказе одного устройства другое обеспечивает устойчивость крана.
В: Насколько длина консоли влияет на устойчивость козлового крана?
О: Влияние значительное. При увеличении длины консоли козлового крана на 1 м приращение опрокидывающего момента от тележки с грузом на конце консоли (приближенно) составляет Q × 1 м. Для крана грузоподъемностью 20 т: при удлинении консоли с 5 м до 7 м опрокидывающий момент возрастает на 20 × 9,8 × 2 = 392 кН·м — для компенсации потребуется дополнительный противовес массой около 8 т на стороне аутригера, чтобы сохранить тот же коэффициент запаса прочности. Поэтому ISO 12210-5 требует указывать длину консоли и грузоподъемность на заводской табличке козлового крана; эксплуатация за этими пределами запрещена. Эффективная длина консоли определяется как вертикальное расстояние от оси внешнего аутригера до крайнего положения крюка.
В: Почему при нулевом давлении колеса кран опрокидывается?
О: При проверке устойчивости мостовых и козловых кранов все опрокидывающие моменты уравновешиваются реакцией колес на аутригерах или концевых балках. Когда суммарное давление колес одной стороны падает до нуля, это означает, что колеса данной стороны оторвались от рельса — кран фактически опирается только на один рельс, и при продолжающемся росте опрокидывающего момента может мгновенно опрокинуться. ISO 12210-5 рассматривает «нулевое давление колеса» как критический критерий потери устойчивости, который достигается раньше, чем отказ по прочности конструкции. На практике запрещается перемещаться на полной скорости или резко тормозить с полным грузом при положении тележки на конце консоли — горизонтальная сила инерции при резком торможении может мгновенно обнулить давление колеса и спровоцировать потерю устойчивости.
