Разъяснение стандарта ISO 12210-5:2018 «Требования к устойчивости мостовых и портальных кранов»
📋 Краткий обзор стандартов:ISO 12210-5:2018 «Краны. Требования к устойчивости. Часть 5. Мостовые и портальные краны» — это специальный стандарт серии ISO 12210, посвященный устойчивости мостовых кранов. Данный стандарт устанавливает методы расчета устойчивости к опрокидыванию мостовых и портальных кранов в трёх состояниях: в рабочем, внерабочем и при монтаже и демонтаже, и является основополагающим механическим стандартом, обеспечивающим безопасность конструкций мостовых и портальных кранов.
Нарушение устойчивости мостовых и портальных кранов — широко известное как ”опрокидывание” или ”сход с рельсов” — является одним из самых серьезных видов аварий. В 2019 году в одном из портов 40-тонный портальный кран под воздействием внезапного порыва ветра силой 10 баллов соскользнул с рельсов и опрокинулся, что привело к полной утрате работоспособности крана и остановке работы причала на 3 месяца. Стандарт ISO 12210-5 позволяет в корне предотвратить подобные аварии, устанавливая методы проверки устойчивости кранов под воздействием ветровой нагрузки, инерционных сил и сил непреднамеренного столкновения.
I. Комбинации нагрузок для расчета устойчивости
Стандарт ISO 12210-5 определяет комбинации нагрузок для трёх условий расчёта. Эксплуатационные условия: собственный вес + номинальная грузоподъёмность + ветровая нагрузка в рабочем режиме (скорость ветра 20 м/с, давление ветра 250 Па) + коэффициент динамической нагрузки при подъёме φ₂. Критерий расчёта — удерживающий момент / опрокидывающий момент ≥ 1,33 (т. е. коэффициент безопасности против опрокидывания ≥ 1,33). Условия, не связанные с эксплуатацией (состояние закрепления при остановке): собственный вес + ветровая нагрузка в нерабочем состоянии (в соответствии с максимальной скоростью ветра, наблюдаемой раз в 50 лет в данном регионе, давление ветра ≥ 800 Па). Критерий расчёта — коэффициент безопасности ≥ 1,2. Условия монтажа и демонтажа: собственный вес + монтажная нагрузка + скорость ветра 8,3 м/с (давление ветра 50 Па). Критерий расчёта — коэффициент безопасности ≥ 1,1.
Для портальных кранов, работающих на открытом воздухе, ветровая нагрузка зачастую является определяющей нагрузкой с точки зрения устойчивости. Возьмём в качестве примера портальный кран грузоподъёмностью 50 т с пролётом 35 м: при скорости ветра вне рабочего режима 38 м/с (тайфун 13-й категории) поперечная ветровая нагрузка, действующая на главную балку и опорные стойки, может превышать 120 кН — — что эквивалентно горизонтальному усилию в 12 тонн, действующему на вершину опорных стоек; это усилие необходимо передать на фундамент с помощью анкерных устройств и рельсовых зажимов.
II. Пример расчета устойчивости к опрокидыванию
Рассмотрим в качестве примера однобалочный портальный кран типа MH грузоподъемностью 20 т и рабочим радиусом 25 м: собственный вес G = 45 т (441 кН), грузоподъемность Q = 20 т (196 кН), собственный вес каретки Gt = 3 т (29,4 кН). Наиболее неблагоприятные условия эксплуатации — это ситуация, когда тележка, находящаяся на конце консоли и поднимающая полную нагрузку, подвергается воздействию максимального рабочего ветра. Стабилизирующий момент Mstab = 441 × (25/2) + 29,4 × (25/2) = 5880 кН·м.
Момент опрокидывания Movert состоит из трёх частей: момент опрокидывания подъёмной нагрузки 196 × (25/2) = 2450 кН·м (возникает из-за эксцентричности подвешенной нагрузки); момент опрокидывания, вызванный ветровой нагрузкой, действующей на боковую поверхность главной балки, рассчитывается по формуле Fw = A × p × Cf; площадь боковой поверхности главной балки составляет 25 × 1,8 = 45 м², давление ветра — 250 Па, коэффициент формы Cf = 1,6; плечо опрокидывающего момента от ветра (от центра главной балки до верха рельса) составляет 10 м, откуда получаем 45 × 0,25 × 1,6 × 10 = 180 кН·м; опрокидывающий момент от горизонтальной инерционной силы составляет примерно 100 кН·м. Общий момент опрокидывания = 2730 кН·м. Коэффициент безопасности устойчивости = 5880/2730 = 2,15 > 1,33, что соответствует требованиям ISO 12210-5.
III. Защита от смещения и ветровое закрепление
Стандарт ISO 12210-5 также устанавливает требования к устойчивости крана к скольжению по направлению рельсов. Коэффициент статического трения между колесами каретки и рельсами принимается равным 0,14 (сталь по стали, в сухом состоянии); сумма силы, противодействующей скольжению, создаваемой тормозом, и силы трения колес должна превышать горизонтальную силу скольжения, создаваемую ветровой нагрузкой, с коэффициентом безопасности ≥ 1,5. В случае недостаточности пассивного сопротивления скольжению необходимо установить рельсозажим или анкерное устройство.
Зажимные устройства по усилию зажима подразделяются на ручные винтовые (≥50 кН), гидравлические (≥150 кН) и электрические пружинные (≥100 кН). Анкерные устройства подразделяются по классу ветроустойчивости на класс A (выдерживают ветер 12-й категории, скорость ветра < 36,9 м/с) и класс B (выдерживают ветер 14-й категории, скорость ветра < 44,7 м/с). В прибрежных районах, подверженных частым тайфунам, устанавливаются устройства класса B. Стандарт ISO 12210-5 требует, чтобы соединительные сварные швы и анкерные болты анкерных устройств проектировались с коэффициентом безопасности, равным 1,5 от максимальной ветровой нагрузки в нерабочем состоянии.
IV. Проверка стабильности
Мостовые краны, вновь установленные или прошедшие капитальный ремонт, должны пройти испытания на устойчивость. Метод испытаний, предусмотренный стандартом ISO 12210-5: испытание статической нагрузкой — 1,25-кратная номинальная грузоподъемность, каретка находится в наиболее неблагоприятном положении, подъемник поднят на высоту 100–200 мм и удерживается в таком положении в течение 10 минут. В течение этого времени необходимо контролировать зазор между нижней частью опорных стоек или торцевых балок и рельсами — если зазор между нижней частью опорных стоек и рельсами превышает 2 мм, это указывает на недостаточный момент устойчивости к опрокидыванию, и конструкция подвергается риску опрокидывания.
Испытание под динамической нагрузкой — 1,1-кратная номинальная нагрузка, перемещение тележки на весь ход + по 3 цикла подъема и опускания; в ходе работы следует наблюдать, не возникает ли у главной тележки ситуация, при которой давление колес на рельсы равно нулю (колеса висят в воздухе). Если давление хотя бы одного колеса равно нулю, динамическая устойчивость считается несоответствующей требованиям.
| Условия расчёта | Коэффициент безопасности | Ветерная нагрузка | Критические комбинации нагрузок |
|---|---|---|---|
| Условия эксплуатации | ≥1,33 | Рабочий поток 250 Па | Собственный вес + Q + ветер + φ₂ |
| Неэксплуатационные условия | ≥1,2 | Экстремальный ветер ≥800 Па | Собственный вес + экстремальный ветер + крепление |
| Условия монтажа | ≥1,1 | 50 Па | Собственный вес + монтажная нагрузка |
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Нужно ли учитывать ветровую нагрузку при эксплуатации мостового крана в помещении?
Ответ: При проектировании мостовых кранов для внутренних помещений ветровые нагрузки, как правило, не учитываются, за исключением следующих случаев: ① полуоткрытые цеха, в которых ворота часто открыты, а площадь ворот превышает площадь боковых стен цеха (30%); в этом случае ветер может проникать через ворота и воздействовать на боковые поверхности главной балки; ② Перемещение между пролетами — когда кран поднимает груз в пролете A цеха и перемещает его в пролет B, проходя через деформационный шов здания или открытый проход, ветровые нагрузки на этом участке пути должны учитываться при расчете устойчивости. В примечаниях к стандарту ISO 12210-5 содержится четкое указание на это.
Вопрос: Нужны ли зажимы для рельсов после закрепления мостового крана?
Ответ: Да, необходимо. Анкерное устройство (анкерный штифт + анкерная яма) фиксирует кран в продольном направлении на рельсах, предотвращая скольжение каретки. Однако в анкерном устройстве имеется зазор в свободном ходу около 5–10 мм (зазор между штифтом и отверстием в анкерном яме), что при порывах ветра во время тайфуна приводит к ”ударной нагрузке”. Рельсозажимщики могут непосредственно зажимать верхнюю часть рельса, передавая силу ветра без зазора. Стандарт ISO 12210-5 рекомендует в районах со скоростью ветра ≥30 м/с одновременно устанавливать анкерное крепление и рельсозажимы; эти два устройства являются взаимно резервными, и в случае выхода из строя одного из них другое устройство по-прежнему может гарантировать устойчивость крана.
Вопрос: Насколько длина консоли влияет на устойчивость портального крана?
Ответ: Влияние очень большое. С каждым увеличением длины консоли портального крана на 1 м прирост (приблизительный) момента опрокидывания, возникающего при нахождении тележки с полной нагрузкой на конце консоли, составляет Q × 1 м. На примере 20-тонного портального крана: при увеличении длины вылета с 5 м до 7 м момент опрокидывания при полной загрузке увеличивается на 20 × 9,8 × 2 = 392 кН·м — это эквивалентно необходимости установки дополнительного противовеса весом около 8 тонн со стороны опорных стоек для поддержания того же коэффициента безопасности устойчивости. Поэтому стандарт ISO 12210-5 требует, чтобы длина вылета и грузоподъёмность портального крана были чётко указаны на заводской табличке, а эксплуатация с превышением этих пределов была запрещена. Эффективная длина вылета на конце консоли определяется как вертикальное расстояние от оси внешней опоры до крайнего положения крюка.
Вопрос: Почему автомобиль переворачивается, если давление в колесах равно нулю?
Ответ: При расчете устойчивости мостового крана все опрокидывающие моменты в конечном итоге уравновешиваются реакциями колес опорных стоек или торцевых балок. Когда суммарное давление колес опорной ноги с одной стороны снижается до нуля, это означает, что колеса с этой стороны сошли с рельсов — в этот момент кран фактически опирается на рельсы с другой стороны, и, поскольку момент опрокидывания еще не перестал расти, он может мгновенно опрокинуться. Стандарт ISO 12210-5 рассматривает ”нулевое давление колес” как критический критерий потери устойчивости, который наступает раньше, чем разрушение конструкции. В реальных условиях эксплуатации категорически запрещается при полной нагрузке быстро перемещать тележку или резко тормозить, когда она находится на конце консоли — горизонтальная инерционная сила при резком торможении может мгновенно снизить давление колес до нуля и вызвать потерю устойчивости.
