Получены аналитические зависимости ветровой нагрузки на кран с грузом, выраженные через коэффициенты аэродинамического сопротивления, с учетом ее динамической составляющей, изменения скоростного напора ветра по высоте крана и собственных скоростей движения механизмов в функции обобщенных координат – угла поворота и вылета стрелы крана.

Предложена методика составления ветровой карты порта, которая позволяет прогнозировать скорость ветра на причалах и рабочих участках порта с учетом их защищенности естественными и искусственными препятствиями.

Ерофеевым Н.И. математическую модель режима работы крановых установок

введены функции ветровой нагрузки. Полученная таким образом математическая модель отражает режим работы портальных кранов при ветре с тремя независимыми совмещенными рабочими движениями (подъем, вылет и вращение) и гибким подвесом груза. Модель представлена в виде системы пяти нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка, правая часть которых содержит случайные функции ветровой нагрузки. Уравнение 1 системы описывает работу механизма поворота при переменных величинах – длине гибкой подвески груза l и моменте инерции поворотной части крана J. Уравнения 2 записаны для механизмов изменения вылета кранов соответственно: 2а – с шарнирно-сочлененными укосинами и 2б – с прямыми стрелами с уравнительными устройствами. Уравнения 3 и 4 описывают вынужденные колебания груза под действием ветровой нагрузки. Уравнение 5 описывает работу механизма подъема. В уравнениях системы обозначены: (, ?, и ((, ?(, z( – координаты соответственно точки подвеса и самого груза;

, Сг – коэффициенты соответственно аэродинамического момента и сил по соответствующим координатам, определяемые экспериментальными продувками модели крана в аэродинамической трубе; F( и F( – характерная наветренная площадь стрелы соответственно по координатам ( и (; К – коэффициент приведения ветровой нагрузки, действующей на стрелу, к точке подвеса груза; Кпi и (i – коэффициенты пульсаций ветра и соответствующие им круговые частоты. Силовые факторы управления механизмами задавались в виде функции их скоростей, а момент инерции поворотной части J – в функции вылета стрелы (.

Теоретические исследования основных показателей работоспособности портальных кранов "Альбрехт" и "Кировец" в функции времени выполнены при следующих параметрах ветра и груза: средние скорости ветра изменялись от 15 до 20 м/с; коэффициенты порывистости 1,05 ( Kп ( 1,45, а соответствующие им круговые частоты 1,26 ( (( 0,16 (5( ( ( 40 с); наветренная площадь груза весом 10 т изменялась от 5 до 20 м2, соответственно коэффициент парусности груза 0,5( KF ( 2,0. Исследования проводились для характерных циклов работы кранов по варианту склад-судно без ограничений на геометрические параметры и для циклов работы с ограничениями, накладываемыми на геометрические параметры работы крана (?=20-22 м,

(=130-140°). В результате численных методов исследования работы кранов "Альбрехт" и "Кировец" при ветре установлены зависимости указанных выше показателей работоспособности кранов от параметров ветровой нагрузки и парусности грузов. Допустимая ветровая нагрузка для рабочего состояния кранов определялась из условий, ограничивающих величину перечисленных выше показателей работоспособности кранов.

В результате теоретических исследований основных показателей работоспособности кранов "Альбрехт" и "Кировец" установлено следующее.

Максимальные эксплуатационные нагрузки в механизмах кранов в течение цикла появляются в период переходных процессов и определяются в основном характером управления краном и настройкой пусковой аппаратуры двигателей (регулировкой тормозов). Влияние ветра на максимальные нагрузки в механизмах вылета стрелы кранов проявляется при средних скоростях ветра свыше 15 м/с, а его пульсаций – в механизмах вылета и поворота кранов – свыше 18 м/с. Влияние средних скоростей ветра с учетом возможных пульсаций на механизмы вылета кранов при их работе на грузах с 0,5 ( КF ( 1,0 составляет для "Кировца" 1,2-1,3 и "Альбрехта" – 1,3-1,5 раза, а на грузах с 1,0 ( КF ( 2,0 соответственно 1,3-1,4 и 1,5-1,8. Влияние же средних скоростей ветра на максимальные нагрузки в механизмах поворота кранов при исследуемых характерных циклах их работы несущественно. Динамическое воздействие ветра по сравнению со статическим воздействием увеличивают максимальные нагрузки в механизмах вылета и поворота кранов "Кировец" и "Альбрехт" при работе на грузах с 0,5 ( КF ( 1,0 соответственно в 1,1-1,15 раза, а на грузах с 1,0 ( КF ( 2,0 – в 1,15-1,20 раза. Изменение наветренной площади груза от 5 до 20 м2 увеличивает максимальные нагрузки кранов на 10-15%.

Максимальные эксплуатационные нагрузки в механизмах кранов при их работе против ветра возрастают с увеличением средней скорости ветра, коэффициента пульсаций и парусности грузов, однако, при исследуемых параметрах ветрового воздействия и циклах работы, они остаются в пределах допустимых. Таким образом, установлено, что при обычных рабочих циклах по условиям максимальных эксплуатационных нагрузок работа кранов "Альбрехт" и "Кировец" допускается при средних скоростях ветра 20 м/с с порывами до 28 м/с. С учетом возможного сочетания максимальных нагрузок на механизмы кранов при их работе в наихудших условиях допустимая средняя скорость ветра составляет 18 м/с с порывами до 22 м/с.

Эквивалентные нагрузки в механизмах кранов практически пропорциональны величине средней скорости ветра. Пульсации ветра увеличивают эквивалентные нагрузки в механизмах вылета стрелы кранов "Кировец" и "Альбрехт" при их работе на грузах с 0,5 ( КF ( 1,0 соответственно в среднем в 1,1-1,2 раза, а на грузах с 1,0 ( КF ( 2,0 – в 1,2-1,3 раза. Влияние же пульсаций на величину эквивалентных нагрузок в механизме поворота крана "Альбрехт" несущественно, а для крана "Кировец" оно составляет 20-30%. Изменение наветренной площади грузов от 5 до 20 м2 увеличивает эквивалентные нагрузки в механизмах в среднем на 20%. По условиям нагрева электродвигателей механизмов крана "Альбрехт" при ПВ=40% для вылета и ПВ=60% для поворота (паспортные значения) допустимая средняя скорость ветра с учетом возможных пульсаций рабочего состояния крана на грузах с КF ( 0,5 составляет 17 м/с, а для крана "Кировец" на грузах с КF ( 1,0 - 18 м/с.

Установлены характер и параметры поперечных колебаний груза на канате переменной длины при раздельной и совмещенной работе крановых механизмов, ускорения, скорости и пути крана и груза, а также углы отклонения груза в пространстве в функции времени. Ускорения, скорости и пути груза по координатам (( и (( имеют, в основном, характер гармонических колебаний с периодами 7-12 с. Исследования влияния сил ветра на скорости механизмов показали, что ограничений на работу кранов по условиям изменения скоростей движения механизмов с грузом, не накладывается.

Максимальные углы раскачивания груза существенно зависят от парусности грузов и мало зависят от веса груза (различие составляет до 10%). Влияние ветра при исследуемых его параметрах на максимальные углы раскачивания груза в пространстве с коэффициентом парусности менее КF ( 0,5 несущественно, для грузов с 0,5 ( КF ( 1,0 общее влияние ветра составляет в среднем 25%, для грузов с 1,0 ( КF ( 1,5 соответственно 30-40% и при 1,5 ( КF ( 2,0 – 40-70%. Таким образом, по условиям влияния ветра на раскачивание груза, полагая, что увеличение углов раскачивания на 25% погасится за счет дополнительных управлений (при нормальной управляемости крана), можно считать допустимой работу кранов при средней скорости ветра 20 м/с с порывами до 28 м/с на грузах, имеющих коэффициент парусности КF ( 1,0, а при ветре 18 м/с с порывами до 26 м/с на грузах с 1,0 ( КF ( 1,5 и 15 м/с

с порывами до 22 м/с на грузах с 1,5 ( КF ( 2,0.

????¤?¤?$??$?????§?а

-в вылета составляет 4-6 с, а поворота на вылете 22-25 м составляет 10-15 с. В результате исследования переходных процессов даны рекомендации по регулировке тормозов механизмов изменения вылета стрелы и поворота кранов при их работе в условиях ветровых нагрузок.

Методом конечных элементов исследованы динамические характеристики крановых конструкций, позволившие определить динамическое воздействие ветровой нагрузки на грузовую устойчивость портальных кранов "Кировец" и "Ганц". При средних скоростях ветра от 15 до 20 м/с с порывами до 28-30 м/с коэффициенты грузовой устойчивости крана "Альбрехт" составляет 1,62, а крана "Кировец" – 2,2, что отвечает требованиям Правил.

Для характерных циклов работы кранов "Альбрехт" и "Кировец"

с ограничениями на вылет стрелы и режим работы допустимые скорости

ветра составляют при переработке грузов с КF ( 0,5 – 20 м/с с порывами

до 25 м/с, для грузов с 0,5 ( КF ( 1,0 – 18 м/с с порывами до 22 м/с и грузов с 1,0 ( КF ( 2,0 – 15 м/с с порывами до 18 м/с.

Для работы кранов "Альбрехт" и "Кировец" без ограничений допустимая скорость ветра на грузах с 0,5 ( КF ( 1,0 составляет 18 м/с с порывами до 22 м/с, а для грузов с 1,0 ( КF ( 2,0 – 15 м/с с порывами до 18 м/с.

В четвертой главе приведены результаты модельных испытаний кранов "Кировец" и "Ганц" в аэродинамической трубе и натурных испытаниях портальных кранов "Альбрехт". Основными задачами экспериментальных исследований являются уточнение расчетной ветровой нагрузки на краны, изучение влияния сил ветра на основные показатели работы кранов и определение степени достоверности результатов математического моделирования и численных методов расчета основных показателей работы кранов.

В ходе экспериментальных исследований определялись: коэффициенты аэродинамического сопротивления крановых конструкций в функции ( и (; нагрузки в механизмах вылета стрелы и поворота крана; время переходных процессов и скорости движения крановых механизмов; углы раскачивания груза; управляемость крана при ветре; характер изменения скорости ветра во времени и ее влияние на исследуемые показатели работы крана.

Модели кранов в масштабе 1:50 испытывались в аэродинамической трубе. Портал, поворотная часть в сборе, поворотная платформа и колонна, стреловое устройство помещались в зоне воздушного потока на тензовесах. Угол атаки потока на модель изменялся через каждые 10(. Углы продувки моделей изменялись от 0 до 180°. Аэродинамическая нагрузка измерялась в системе координат, связанной с моделью крана.

Для испытываемых частей моделей кранов определялась зона автомодельности путем их продувки при разных скоростях потока. Для одного положения модели проводилось 5-6 продувок при числах Рейнольдса, больших нижней границы зоны автомодельности. По результатам расчетов аэродинамических коэффициентов сопротивления на ЭВМ строились кривые зависимости коэффициентов от числа Рейнольдса при постоянном угле атаки; с этих кривых снималась величина коэффициентов сопротивления для построения графиков в зависимости от угла атаки и наклона стрелы крана.

Пересчет результатов модельных испытаний на натуру производился при следующих допущениях: коэффициент сопротивления каждого элемента конструкция высотой dh равен коэффициенту сопротивления, характерному для всей конструкции; для одной и той же конструкции не учитывалось влияние изменения коэффициента заполнения и неравномерности потока по высоте на величину коэффициента сопротивления dh; аэродинамические коэффициенты, полученные экспериментально, приняты равными аэродинамическим коэффициентам реальной конструкции крана вследствие автомодельности режимов обтекания.

Результаты модельных испытаний позволили получить упрощенные и уточненные зависимости ветровой нагрузки на исследуемые краны в функции угла поворота и вылета стрелы с учетом конструктивных особенностей элементов и частей, а также их аэродинамического взаимовлияния. Выявлен характер функции момента от сил ветра на поворотную часть крана, зависящую от угла поворота крана (угла атаки), график которой для крана "Кировец" имеет синусоидальную, а для крана "Ганц" – трапецеидальную форму.

Совпадение значений экспериментально полученных коэффициентов аэродинамического сопротивления с расчетными для определенных положений крановых конструкций по отношению к углу атаки воздушного потока свидетельствует об удовлетворительных результатах моделирования ветровой нагрузки на краны в лабораторных условиях.

Натурные испытания кранов "Альбрехт" проводились в Ильичевском морском порту при средней скорости ветра 15 м/с с порывами до 18-20 м/с в соответствии с Программой, согласованной с руководством порта. Методика и условия испытаний кранов отражены в соответствующих актах испытаний.

В процессе испытаний регистрировались с помощью осциллографа следующие величины: скорость ветра, токи в электродвигателях механизмов вылета стрелы и поворота крана, усилие в рейке стрелы, скорости, время разгона и торможения механизмов, а также углы раскачивания груза в двух

ортогональных плоскостях. Оценка влияния ветра на регистрируемые показатели работы крана производилась в основном в безразмерной форме, т. е. в относительных единицах. За базовые показатели принимались показатели работы крана при отсутствии ветра.

Сравнительная оценка изменения нагрузок, времени переходных процессов, скоростей механизмов, колебательных процессов груза в результате натурных испытаний портального крана "Альбрехт" при скорости ветра свыше 15 м/с с расчетными позволяет сделать вывод, что математическое моделирование и численные расчеты основных показателей работоспособности портальных кранов при ветровых нагрузках выполнены с достаточной для инженерной практики степенью достоверности.

Пятая глава посвящена теоретическим исследованиям работоспособности портальных кранов типа Сокол, Альбатрос, Кондор, Ганц и Форель, обоснованию допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния портовых кранов и методам повышения эффективности их использования.

В результате численных методов исследования основных показателей работоспособности наиболее распространенных в портах портальных кранов типа Альбрехт, Кировец, Сокол, Альбатрос, Кондор, Ганц и Форель при принятых параметрах ветровой нагрузки и циклах их работы были получены зависимости этих показателей в функции времени и парусности грузов, на основании которых были определены допустимые скорости ветра для их рабочего состояния в зависимости от технологии работ, геометрических параметров циклов работы кранов и парусности грузов (таблица). При работе кранов с ограничениями, накладываемыми на ? и (, предельные скорости ветра для их рабочего состояния составляют 25 м/с при обработке грузов с КF ? 0,5.

Для практического использования портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках предложены следующие методы: использование кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, но в пределах паспортных значений ветровых нагрузок с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы

работ и парусность грузов; использование кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений с ограничениями, накладываемыми на

Допустимые скорости ветра для рабочего состояния портальных кранов в зависимости от геометрических

параметров циклов работы и коэффициента парусности

Портальные краны Работа кранов с ограничениями на (= 20 - 22 м,