Нормы нагрузок и комбинаций для кранов по ГОСТ 22437.1-2008

ГОСТ 22437.1-2008 гармонизирован с ISO 8686-1:1989 и представляет собой специализированный методический документ по расчёту нагрузок на кран. На этапе проектирования необходимо определить все возможные нагрузки, действующие на кран в течение срока службы, и выполнить проверку прочности конструкции и устойчивости по наиболее неблагоприятным комбинациям нагрузок. Стандарт применим к расчёту нагрузок для всех типов кранов и устанавливает методы определения собственного веса, грузоподъёмности, инерционных нагрузок, ветровых нагрузок, температурных воздействий и особых нагрузок, а также коэффициенты их сочетания.

Система классификации нагрузок

Стандарт разделяет все нагрузки, действующие на кран, на три категории. Нагрузки I категории (регулярные) — нагрузки, возникающие при нормальной эксплуатации крана: собственный вес конструкции и оборудования, номинальная грузоподъёмность (максимальная грузоподъёмность с учётом массы грузозахватного приспособления), инерционные нагрузки при пуске и торможении (ускорение механизма подъёма и горизонтальные силы инерции при разгоне и замедлении механизма передвижения), ветровая нагрузка в рабочем состоянии (рассчитывается по ветровым районам и коэффициенту высоты) и боковые силы при перекосе моста (горизонтальные направляющие усилия при перекосе передвижения моста). Нагрузки II категории (нерегулярные) — нагрузки, возможные в нетипичных условиях эксплуатации: ветровая нагрузка в нерабочем состоянии (по максимальной скорости ветра с повторяемостью один раз в 50 лет), нагрузки при внезапной остановке, испытательные нагрузки и температурные нагрузки. Нагрузки III категории (особые) — редкие, но с тяжёлыми последствиями: сейсмические нагрузки, ударные нагрузки и технологические особые нагрузки.

Для каждой категории нагрузок установлены различные частные коэффициенты запаса, отражающие влияние вероятности возникновения и продолжительности действия нагрузки на конструкционную безопасность. Для нагрузок I категории частный коэффициент запаса принимается 1,0–1,3 (для расчёта на усталость — 1,0), для II категории — 1,0–1,1, для III категории — 1,0. Чем больше частный коэффициент запаса, тем выше непредсказуемость нагрузки и тем больше требуется резервирование безопасности. Стандарт особо подчёркивает: проектировщики обязаны корректно определять категорию нагрузки — не допускается относить нагрузки II категории к I категории с целью снижения требований безопасности, равно как и относить нагрузки I категории ко II категории, что приводит к избыточному запасу и неоправданным затратам.

Правила комбинации нагрузок

Комбинация нагрузок — основное содержание стандарта. Стандарт устанавливает три типа комбинаций нагрузок — A, B, C: комбинация A — рабочее состояние без ветра (применяется для расчёта усталостной прочности и проверки мощности двигателя), включает собственный вес + грузоподъёмность + инерционные нагрузки + боковые силы при перекосе, коэффициент запаса прочности — 1,50 (при расчёте на усталость) / 1,25 (для локальной усталости). Комбинация B — рабочее состояние с ветром (применяется для расчёта статической прочности), к комбинации A добавляется ветровая нагрузка в рабочем состоянии, коэффициент запаса прочности — 1,34. Комбинация C — нерабочее состояние (применяется для проверки устойчивости против опрокидывания и безопасности при ветровых воздействиях), включает собственный вес + ветровую нагрузку в нерабочем состоянии или другие особые нагрузки, коэффициент запаса прочности — 1,15.

Конкретные правила определения значений нагрузок в комбинациях: собственный вес рассчитывается по фактической массе конструкции; грузоподъёмность включает номинальную грузоподъёмность и массу грузозахватного приспособления и умножается на коэффициент динамической нагрузки φ2 (1,0–1,2); коэффициент удара при отрыве груза от земли φ1 принимается 1,1–1,3. Инерционные нагрузки определяются по ускорению (замедлению) каждого механизма и массе движущихся частей: сила инерции механизма подъёма равна φ5 × грузоподъёмность (φ5 — коэффициент динамической нагрузки при приводе с регулируемой скоростью), сила инерции механизма передвижения равна масса передвижения × ускорение передвижения. Ветровая нагрузка рассчитывается по карте ветровых районов и коэффициенту высоты согласно приложению А ГОСТ 3811. Боковые силы при перекосе определяются по эмпирической формуле F = λ × ΣP (λ — коэффициент боковой силы, ΣP — суммарное давление колёс). Проектировщики должны выбирать наиболее неблагоприятную комбинацию нагрузок с учётом фактических условий эксплуатации крана.

Коэффициенты динамической нагрузки: значения и условия применения

Коэффициенты динамической нагрузки (коэффициенты φ), приведённые в стандарте, являются важными параметрами расчёта нагрузки. Правильное понимание и выбор этих коэффициентов — ключевое условие точности проектирования. φ1 — коэффициент динамической нагрузки при отрыве груза от земли (1,1–1,3): при быстром подъёме груза с поверхности упругость каната подъёма вызывает эффект усиления динамической нагрузки в момент отрыва; величина коэффициента зависит от скорости подъёма и жёсткости каната. φ2 — коэффициент удара при подъёме (1,0–1,2): учитывает ударные воздействия при пуске и остановке механизма подъёма. φ3 — коэффициент внезапной разгрузки (1,5–2,0): отражает экстремальную ситуацию непреднамеренного падения груза; применяется при разрыве части стального каната или срыве груза со строп. φ4 — коэффициент удара при передвижении: зависит от состояния рельсовых стыков и скорости передвижения; для стыков с ровной поверхностью принимается 1,1–1,3. φ5 — коэффициент динамической нагрузки при приводе с регулируемой скоростью: используется для расчёта силы инерции при пуске и торможении механизма подъёма. φ6 — коэффициент динамической нагрузки при испытательной нагрузке (1,0–1,1): применяется при расчёте нагрузки для динамических испытаний.

Выбор коэффициентов динамической нагрузки должен выполняться с учётом условий эксплуатации крана, режима работы и характера нагрузок. Например, для литейного крана вероятность внезапной разгрузки выше, чем для обычного крана, поэтому φ3 следует принимать ближе к верхней границе; портовый кран эксплуатируется с высокой интенсивностью передвижения и имеет большое количество рельсовых стыков, поэтому φ4 следует принимать по верхнему пределу. Для кранов групп режима работы A7–A8 значения коэффициентов динамической нагрузки должны быть примерно на 10–15 % строже, чем для групп A1–A3. Стандарт также указывает: не следует одновременно принимать максимальные значения нескольких коэффициентов динамической нагрузки и суммировать их; необходимо выбирать рациональную комбинацию в соответствии с фактическими условиями эксплуатации. Компания Келуде Тяжёлая Промышленность при расчёте конструкции строго руководствуется стандартом при выборе коэффициентов динамической нагрузки и выполняет поэлементную проверку с учётом фактических условий эксплуатации заказчика.

Комбинации нагрузок и сравнительная таблица коэффициентов

В приведённой ниже сравнительной таблице сведены три комбинации нагрузок с указанием входящих нагрузок, коэффициентов запаса прочности и типов расчёта, для которых они применяются. Проектировщики должны выбирать нужную комбинацию в зависимости от фактического режима работы крана и условий эксплуатации.

Методика расчёта ветровой нагрузки

Ветровая нагрузка является одним из ключевых факторов внешней среды при расчёте конструкции крана. Стандарт устанавливает метод определения ветровой нагрузки по приложению А стандарта GB/T 3811: для рабочего состояния расчётное ветровое давление принимается в диапазоне 150–250 Па (в зависимости от ветрового района), для нерабочего состояния — по максимальной скорости ветра с повторяемостью один раз в 50 лет для данной местности. Формула для расчёта ветровой нагрузки имеет вид Fw = Cw × p × A, где Cw — коэффициент аэродинамического сопротивления (зависит от формы конструкции и коэффициента заполнения), p — ветровое давление, A — расчётная наветренная площадь. Для решётчатых конструкций наветренная площадь определяется с учётом коэффициента заполнения. Для нерабочего состояния стандарт предписывает учитывать пульсационную составляющую ветра — принимается коэффициент динамичности β = 1,6–2,0, который отражает усиливающее воздействие пульсаций ветра на конструкцию. Для высоких сооружений (например, башенных кранов) эффект пульсации более выражен, поэтому следует принимать большие значения коэффициента. В прибрежных и открытых районах ветровое давление на 15–25% выше, чем в городской застройке внутри континента, поэтому при проектировании необходимо учитывать фактическое место установки крана и соответствующий ветровой район.

Стандарт также регламентирует ряд особых случаев при расчёте ветровой нагрузки: для нерабочего состояния наветренная площадь крана определяется по наиболее неблагоприятному направлению ветра (с учётом проекции поворотной части при различных углах поворота). Для кранов с поворотной частью в нерабочем состоянии крюк и тележку следует размещать в определённом положении для снижения ветровой нагрузки — как правило, тележку перемещают к башне, а крюк поднимают в верхнее положение. Усилие зажима или анкеровки ветрозащитных предохранительных устройств (рельсовых зажимов, анкерных устройств, ветрозащитных тросов) рассчитывается с коэффициентом 1,25 от ветровой нагрузки нерабочего состояния, что гарантирует отсутствие сдвига или опрокидывания крана при экстремальных скоростях ветра.

Часто задаваемые вопросы