"ГОСТ 32579.1-2013. Межгосударственный стандарт. Краны грузоподъемные. Принципы формирования расчетных нагрузок и комбинаций нагрузок. Часть 1. Общие положения"
(введен в действие Приказом Росстандарта от 22.08.2014 N 943-ст)

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-92 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2009 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила, рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

1 РАЗРАБОТАН Закрытым акционерным обществом "РАТТЕ" (ЗАО "РАТТЕ")

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации по переписке (протокол N 62-П от 03.12.2013)

За принятие проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 августа 2014 г. N 943-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 32579.1-2013 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 01 июня 2015 г.

5 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений международного стандарта ИСО 8686-1:2012 "Краны грузоподъемные. Принципы формирования нагрузок и комбинаций нагрузок. Часть 1: Основные положения" (ISO 8686-1:2012 "Cranes - Design principles for loads and load combinations - Part 1: General").

Степень соответствия - неэквивалентная (NEQ)

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Настоящий стандарт, устанавливающий правила определения расчетных нагрузок для проектирования грузоподъемных кранов, является первой частью комплекса стандартов "Краны грузоподъемные. Принципы формирования расчетных нагрузок и комбинаций нагрузок".

В стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных и европейских стандартов:

- ИСО 8686-1:2012 "Краны грузоподъемные. Принципы формирования нагрузок и комбинаций нагрузок. Часть 1: Основные положения" (ISO 8686-1:2012 "Cranes - Design principles for loads and load combinations - Part 1: General").

- ЕН 13001-1:2010 "Безопасность грузоподъемного крана. Общие требования к проектированию. Часть 1. Основные принципы и требования" (EN 13001-1:2010 "Cranes safety - General design - Part 1: General principles and requirements (consolidated version)").

- ЕН 13001-2:2012 "Безопасность грузоподъемного крана. Общие требования к проектированию. Часть 2. Воздействие нагрузок" (EN 13001-2:2012 "Cranes safety - General design - Part 2: Load actions").

- ЕН 13001-3-1:2012 "Безопасность грузоподъемного крана. Общие требования к проектированию. Часть 3-1. Предельное состояние и подтверждение соответствия стальных конструкций" (EN 13001-3-1:2012 "Cranes - General Design - Part 3-1: Limit States and proof competence of steel structure").

Настоящий стандарт устанавливает общие принципы определения расчетных нагрузок и их комбинаций, используемых для проектирования грузоподъемных кранов и их механических элементов.

Настоящий стандарт распространяется на все виды грузоподъемных кранов, указанных в специальных частях настоящего стандарта, а также грузоподъемные лебедки, тали и элементы грузоподъемных кранов, проектируемые и/или изготавливаемые отдельно.

Стандарт не распространяется на:

- плавучие краны и краны, устанавливаемые на судах и плавучих сооружениях;

- грузоподъемные краны, устанавливаемые в шахтах;

- краны, работающие только с навесным оборудованием (вибропогружателями, буровым оборудованием и пр.);

- краны, являющиеся элементами специального технологического оборудования;

- подъемники и вышки.

Действие стандарта распространяется на вновь проектируемые краны, а также на краны, впервые ввозимые на территорию в национальных стандартах государств, упомянутых в предисловии как проголосовавших за принятие межгосударственного стандарта.

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие межгосударственные стандарты:

ГОСТ 1451-77 Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения.

ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

ГОСТ 27555-87 (ИСО 4306-1-85) Краны грузоподъемные. Термины и определения.

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

В настоящем стандарте применены термины ГОСТ 27.002 и ГОСТ 27555, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 несущая способность конструкции: Максимальная нагрузка, которую может выдерживать конструкция без потери функциональных качеств.

3.2 прочность: Способность объекта сопротивляться разрушению или возникновению пластических деформаций под действием приложенных нагрузок.

3.3 номинальное значение нагрузки: Значение нагрузки, установленное в технической документации для заданных условий нормальной эксплуатации или вычисленное по жесткой кинематической модели с использованием проектных значений масс и ускорений.

3.4 критерии работоспособности: Расчетные условия невозникновения внезапных отказов, чрезмерных упругих деформаций или длительно незатухающих колебаний крана или его элементов.

3.5 критерии долговечности: Расчетные условия невозникновения постепенных отказов элементов крана в течение заданного периода эксплуатации.

3.6 предельное напряжение: Максимальное значение напряжения, принятого в качестве критерия отказа по определенному виду предельного состояния (например, предел текучести, предел прочности, критическое напряжение потери устойчивости и др.).

3.7 грузоподъемное устройство: Устройство для подъема грузов, которым может быть грузоподъемный кран любого типа, грузоподъемная лебедка, таль.

3.8 рабочее состояние: Состояние крана, в котором он полностью смонтирован и способен выполнять все установленные в технической документации функции с помощью своих механизмов.

3.9 нерабочее состояние: Состояние крана, при котором он находится без груза, установлен в специальное положение, предусмотренное инструкцией по эксплуатации, и отключен от источника энергии.

Основные условные обозначения, использованные в данном стандарте, приведены в таблице 1. Остальные символы определены в соответствующих местах текста.

5.1 Основные положения расчета

Соответствие конструктивных решений, принимаемых при проектировании, ремонте или реконструкции грузоподъемного устройства, критериям работоспособности и долговечности должно быть подтверждено расчетом. Перечень критериев зависит от конструкции и условий эксплуатации проектируемого устройства или элемента.

Условия эксплуатации характеризуют комплекс эксплуатационных воздействий, который включает механические воздействия (нагрузки) и физико-химические (тепловые, коррозионные и пр.). Для грузоподъемного устройства и его механических элементов основными воздействиями являются нагрузки, физико-химические воздействия являются сопутствующими. Настоящий стандарт устанавливает принципы и методы определения нагрузок для расчета по критериям работоспособности и долговечности.

Для расчета элементов крана по критериям работоспособности и долговечности могут быть использованы методики моделирования нагрузок, отличные от принятых в данном стандарте, если они подтверждены опытом проектирования и эксплуатации.

5.2 Классификация расчетных критериев

В целях систематизации расчетных коэффициентов и комбинаций эксплуатационных нагрузок расчетные критерии подразделяются на три группы:

I. Первая группа - критерии, связанные с ограничением долговечности элементов крана:

- усталостное повреждение;

- износ.

II. Вторая группа - критерии, связанные с нарушением работоспособности:

- пластические деформации;

- разрушение (вязкое, хрупкое);

- потеря общей или местной устойчивости формы деформирования;

- потеря устойчивости положения в пространстве грузоподъемного устройства или его частей;

- превышение максимального момента тормозов и двигателей.

III. Третья группа - критерии, связанные с нарушением нормальной эксплуатации:

- чрезмерные упругие деформации;

- чрезмерные по амплитуде или времени затухания колебания (вредные для персонала или затрудняющие работу машины);

- превышение нормального температурного режима (двигателей, тормозов и пр.).

5.3 Методы подтверждения работоспособности и долговечности

5.3.1 Подтверждение работоспособности и долговечности элементов грузоподъемного устройства имеет целью снижение или устранение риска возникновения опасностей, связанных с отказами машины. Инженерные расчеты по любому критерию работоспособности или долговечности строятся в форме сравнения двух величин. Одна из них характеризует фактическое состояние или поведение конструкции (например, действующее напряжение, прогиб и т.п.), а другая - предельное (например, допускаемое напряжение, расчетное сопротивление или допустимый прогиб). Обе величины являются приближенными детерминированными оценками параметров или свойств, которые в действительности имеют вероятностную природу. Методики вычисления (или назначения) указанных величин строятся таким образом, что выполнение критериев работоспособности и долговечности обеспечивает приемлемо малую вероятность возникновения предельных состояний в процессе эксплуатации.

При расчете деталей машин и металлических конструкций для учета в критериях работоспособности вероятностной природы воздействий и свойств объектов, а также неточности расчетных моделей в настоящее время используются два инженерных метода: метод расчета по допускаемым напряжениям и метод расчета по предельным состояниям.

5.3.2 Метод расчета по предельным состояниям предусматривает использование частных коэффициентов надежности по каждой из нагрузок и по предельному напряжению. Эти коэффициенты учитывают возможные отклонения значений указанных величин в неблагоприятную сторону. Расчет по этому методу строится по следующей схеме:

- Вычисляются динамические нагрузки как номинальные нагрузки (от массовых сил, давления ветра, перекоса и пр.), умноженные на динамические коэффициенты (7.2.2): .

- Формируется комбинация нагрузок, каждая из которых умножается на значение соответствующего частного коэффициента надежности (, таблицы 4 и 6) и коэффициент ответственности ; ; ...; .

- Вычисляется расчетная характеристика рабочего состояния для рассматриваемого условия работоспособности - расчетное напряжение . В расчетах на устойчивость положения крана характеристикой состояния является отношение M_уд/M_опр удерживающего момента к опрокидывающему.

- Определяется характеристика предельного состояния: нормативное сопротивление по рассматриваемому предельному состоянию (предел текучести, критическое напряжение потери устойчивости и др.) R_n и расчетное сопротивление , где - коэффициент надежности по расчетному сопротивлению (таблица 4).

- Производится проверка условия или M_уд/M_опр > 1.

5.3.3 Метод расчета по допускаемым напряжениям предусматривает использование общего коэффициента запаса . В него входит коэффициент надежности (таблица 4) или (приведен в специальных частях стандарта), учитывающий все возможные отклонения нагрузок и свойств объекта в неблагоприятную сторону, а также неточности математических моделей, и коэффициент ответственности грузоподъемного устройства и рассчитываемого элемента . Коэффициент условий работы предназначен для учета особенностей расчета отдельных типов узлов или элементов. Значения коэффициента устанавливаются в нормативных документах по расчету конструкций.

Расчет по этому методу строится по следующей схеме:

- Вычисляются динамические нагрузки как номинальные нагрузки (от массовых сил, давления ветра, перекоса и пр.), умноженные на динамические коэффициенты (7.2.3): .

- Формируется комбинация нагрузок (таблицы 4 и 6) F₁; F₂; ...; F_j.

- Вычисляется расчетная характеристика рабочего состояния для рассматриваемого условия работоспособности или долговечности .

- Определяется характеристика предельного состояния: предельное напряжение по рассматриваемому критерию работоспособности или долговечности (предел текучести, критическое напряжение потери устойчивости и др.) и допускаемое напряжение .

- Производится проверка условия .

5.3.4 Применение методов расчета

Оба метода расчета - по предельным состояниям и по допускаемым напряжениям - в равной степени могут быть использованы для расчета элементов металлических конструкций и деталей механизмов по I и II группам предельных состояний (5.2) в случае линейной взаимосвязи между нагрузками и напряжениями в конструкции. В случае нелинейной зависимости между нагрузками и напряжениями рекомендуется применять метод расчета по предельным состояниям. Расчеты по III группе предельных состояний производятся по номинальным нагрузкам (массам) (7.2.7).

5.3.5 Методы определения напряжений

Значения коэффициентов надежности, приведенные в данном стандарте, предназначены для расчетов, в которых действующие напряжения вычисляются с помощью теории сопротивления материалов при условии упругого деформирования элементов конструкции и, следовательно, не учитывают факторы, создающие концентрацию напряжений. Такими факторами являются:

- местные геометрические особенности формы элементов конструкций;

- места локального приложения нагрузок;

- зоны стеснения деформаций при изгибе и кручении;

- остаточные сварочные напряжения.

Если определение действующих напряжений произведено более точными методами (экспериментальными или численными), обеспечивающими учет существенных видов концентрации напряжений, то для расчета по критериям работоспособности и долговечности используются уточненные значения напряжений. В этом случае значения коэффициентов надежности и запаса могут быть снижены.

5.3.6 Для выбора и проверочных расчетов покупных изделий (двигателей, мотор-редукторов, тормозов и пр.) следует руководствоваться методиками производителей, определяя расчетные нагрузочные параметры по указаниям данного стандарта.

5.4 Принципы моделирования эксплуатационных нагрузок

5.4.1 В данном стандарте установлены структура и принципы определения расчетных нагрузок на элементы грузоподъемных кранов, которые возникают при использовании машины по назначению (в рабочем состоянии), а также в особых ситуациях, предусмотренных техническим заданием. Кроме того, в необходимых случаях в расчетах совместно с нагрузками должны учитываться возможные различия между действительной и теоретической геометрией механических систем (неровности пути, перекосы конструкции, упругие и температурные деформации, непрямолинейность формы стержней, пластин и пр.), которые вызывают отклонение значений нагрузок в неблагоприятную сторону.

5.4.2 Эксплуатационные нагрузки, действующие на элементы крана, являются случайными процессами. Детерминированные значения нагрузок, характеризующие их максимальные или типичные значения с определенной достоверностью, называются расчетными нагрузками. Если в конструкции крана нагрузки от различных источников, действуя одновременно, не оказывают влияния друг на друга, то воздействия нагрузок могут рассматриваться независимо. В случаях, когда нагрузки вследствие одновременного воздействия различных факторов влияют друг на друга (зависимы), это взаимодействие необходимо учитывать.

5.4.3 Силы тяжести и инерционные нагрузки, действующие на массу m_i, находятся как G_i = gm_i и F_ij = a_jm_i, где g - ускорение свободного падения; a_j - ускорение, действующее в j-м направлении, вычисленное в результате кинетического анализа твердотельной модели. Эти значения нагрузок являются номинальными.

5.4.4 Динамические нагрузки находятся умножением номинальных нагрузок на динамические коэффициенты, которые учитывает эффекты упругих колебаний элементов машины. Динамические коэффициенты для типовых ситуаций принимаются по указаниям, приведенным в данном стандарте. В специальных случаях, при наличии опыта проектирования, статистической информации, экспериментальных данных или результатов численного анализа, могут быть использованы более точные оценки значений динамических коэффициентов.

5.5 Комбинации нагрузок

5.5.1 Комбинации нагрузок описывают силовые воздействия на кран, возникающие в определенных ситуациях в процессе эксплуатации, монтажа или транспортировки. Для расчета выбираются такие ситуации, при которых в элементах крана создаются экстремальные напряжения. Комбинации нагрузок включают перечень эксплуатационных воздействий, реализуемых одновременно, которые объединены в группы A, B и C (см. таблицы 4 и 6).

5.5.2 В группу A включены комбинации нагрузок, характеризующие типичные рабочие ситуации. Эти комбинации используются для расчетов по I и II группам критериев работоспособности (5.2). При расчете методом предельных состояний по II группе критериев работоспособности используются повышенные значения частных коэффициентов надежности по каждой нагрузке.

5.5.3 В группы B и C объединены комбинации нагрузок, соответствующие ситуациям, редко встречающимся в процессе эксплуатации. Эти комбинации используются для расчетов по II группе критериев работоспособности. Для отдельных кранов или элементов комбинации группы B применяются для расчетов на долговечность.

5.5.4 Для расчетов по III группе критериев работоспособности комбинации нагрузок не используются. Перемещение определяется от действия основной переменной нагрузки, веса номинального груза или веса тележки с грузом.

5.5.5 Если какая-то нагрузка не может возникать (например, ветровая нагрузка на грузоподъемное устройство, используемое в закрытом помещении), то этот вид нагрузки при расчетах не учитывается. Также можно исключить из рассмотрения нагрузки, которые появляются:

а) в условиях, запрещенных инструкцией по применению грузоподъемного устройства;

б) при особых состояниях, не рассматриваемых в проекте;

в) в условиях, которые предотвращаются или подавляются в соответствии с проектом грузоподъемного устройства.

6.1 Классификация нагрузок

Эксплуатационные нагрузки по частоте возникновения в процессе использования грузоподъемного устройства делятся на несколько категорий: регулярные, нерегулярные, исключительные и особые. Конкретные виды нагрузок, относящихся к этим категориям, зависят от типа грузоподъемного устройства и условий его эксплуатации:

а) Регулярные нагрузки возникают во время нормальной работы в каждом цикле. Они должны учитываться при расчетах грузоподъемного устройства и его элементов по всем критериям работоспособности и долговечности. Регулярные нагрузки обусловлены гравитацией, а также действием ускорений (замедлений), создаваемых механизмами при перемещении масс грузоподъемного устройства и груза. Кроме того, регулярными могут быть технологические воздействия на элементы специальных кранов. К этой же категории могут относиться регулярные кинематические воздействия (смещения, перекосы).

б) Нерегулярные нагрузки возникают реже. К ним относятся нагрузки от ветра рабочего состояния, от снега и льда, тепловых воздействий и перекосов. Этими нагрузками обычно пренебрегают при анализе долговечности элементов металлических конструкций.

в) Исключительные нагрузки могут возникать несколько раз в течение срока службы грузоподъемного устройства. Исключительными являются нагрузки, возникающие при испытаниях грузоподъемного устройства, ветре нерабочего состояния, в аварийных и других ситуациях. Они не учитываются при подтверждении долговечности изделия.

г) Особые нагрузки возникают при монтаже, демонтаже или транспортировке, т.е. в ситуациях, когда грузоподъемное устройство не находится в рабочем положении.

6.2 Регулярные нагрузки

6.2.1 Вертикальные силы, действующие на массы грузоподъемного устройства

На все массы грузоподъемного устройства действует сила тяжести (собственный вес). Для некоторых типов подъемных устройств или условий применения может потребоваться учет эффекта коркообразования и массы материалов, которые скапливаются на грузоподъемном устройстве или его частях (например, угольная пыль).

При подъеме груза возникают колебания металлической конструкции. Для учета этого фактора сила тяжести масс грузоподъемного устройства должна умножаться на динамический коэффициент , где 0 < a < 0,1. Знак "+/-" обеспечивает получение двух значений этого коэффициента, отражающих верхнее и нижнее значения нагрузки в процессе колебаний.

6.2.2 Вертикальные нагрузки, действующие на груз

6.2.2.1 Сила тяжести груза вычисляется по грузоподъемности брутто, включающей массы полезного груза и грузозахватных приспособлений (см. 5.4.3).

6.2.2.2 Динамический коэффициент при работе механизма подъема, в основном, зависит от скорости подъема, системы управления приводом и жесткости конструкции. Далее в этом подпункте рассматриваются динамические эффекты, возникающие при подъеме "с подхватом", когда привод разгоняется до того, как подъемный канат окажется под нагрузкой.

Значение динамического коэффициента при подъеме груза с земли вычисляется в соответствии со схемой, показанной на рисунке 1.

Значения коэффициентов и приведены в таблице 2 в зависимости от принятого класса подъема HC1 - HC4, который связан с динамическими свойствами конструкции [1]. К классу HC1 относятся краны с гибкой конструкцией или приводами с плавными динамическими характеристиками, к классу HC4 - с жесткой конструкцией при резком переключении скорости. Рекомендации по назначению класса грузоподъемного устройства в зависимости от типа крана приведены в Приложении Б. В формуле (1) v_h - установившаяся скорость подъема груза, м/с. Указания по определению значений v_h приведены в таблице 3. В этой таблице v_hmax - максимальная скорость подъема; v_hCS - постоянная замедленная скорость подъема. Кроме того, использованы следующие обозначения типов привода механизма подъема:

HD1 - привод подъема груза не может работать на замедленной скорости;

HD2 - оператор крана может выбрать режим работы на постоянной замедленной скорости;

HD3 - система управления приводом подъема груза обеспечивает постоянную замедленную скорость до отрыва груза от земли;

HD4 - оператор крана может пользоваться системой бесступенчатого управления переменной скоростью;

HD5 - после создания предварительного натяжения в тяговом канате система управления приводом подъема груза позволяет достичь выбранной скорости с ускорением, не зависящим от оператора крана.

Допускается определять значения экспериментально или численным анализом независимо от класса подъема.

6.2.2.3 Динамические эффекты при внезапной разгрузке (сбросе) части полезного груза учитываются коэффициентом , на который следует умножать силу тяжести полезного груза (см. рисунок 2). Значение определяют по формуле:

где - масса сбрасываемой части груза;

m - масса груза брутто.

Коэффициент выбирается следующим образом:

- для устройств, оборудованных грейфером или подобными устройствами замедленной разгрузки, ;

- для устройств, оборудованных магнитами или подобными устройствами быстрой разгрузки .

6.2.3 Нагрузки, вызванные передвижением по неровной поверхности

6.2.3.1 Динамические эффекты, возникающие при передвижении крана с грузом или без груза, по дороге или по бездорожью зависят от конфигурации машины (распределения масс), упругих характеристик крана и/или его подвески, скорости и условий перемещения, а также от профиля и физических характеристик дороги. Динамические нагрузки при этом должны быть оценены из опыта, эксперимента или расчетом с помощью соответствующих моделей с учетом свойств устройства и поверхности перемещения. Рекомендации по выбору динамического коэффициента для стреловых самоходных кранов приведены в части 2 стандарта.

6.2.3.2 Динамические эффекты, возникающие при передвижении крана с грузом или без груза по рельсовому пути, имеющему определенные неровности, зависят от конфигурации машины (распределения масс), упругих характеристик крана, скорости перемещения и диаметра колес. Возникающие при движении вертикальные ускорения учитываются умножением гравитационных сил, обусловленных массами грузоподъемного устройства и груза, на коэффициент . Специальные стандарты для отдельных типов подъемных устройств могут устанавливать допуски на рельсовые пути и указания по назначению динамического коэффициента .

Значения динамического коэффициента для кранов и тележек, передвигающихся по рельсовым путям, могут быть установлены в зависимости от скорости передвижения грузоподъемного устройства v_m следующим образом:

В скобках даны значения, рекомендуемые для путей с заваренными и обработанными стыками. Для кранов и тележек, опирающихся на балансирные тележки, динамический коэффициент определяют как . Если рельсовый путь не имеет стыков (т.е. выполнен из одного отрезка рельса), то можно считать .

Динамические нагрузки могут быть оценены на основе опыта, эксперимента или расчета с помощью соответствующих динамических моделей с учетом свойств крана и пути.

6.2.4 Инерционные нагрузки при неустановившемся режиме работы приводов

При разгоне и торможении механизмов крана возникают динамические нагрузки, действующие на элементы металлической конструкции и механизмов. Эти нагрузки зависят от конфигурации машины (распределения масс), упругих свойств ее элементов, скорости и характеристик приводов. Указанные нагрузки могут быть вычислены по динамическим моделям, отражающим распределение масс и упругих связей элементов машины.

С допустимой в инженерных расчетах погрешностью нагрузки, возникающие в элементах грузоподъемного устройства при неустановившихся движениях приводов, могут быть также рассчитаны на основе твердотельных кинетических моделей, учитывающих параметры приводов, распределение движущихся масс и сил сопротивлений. Для учета динамических процессов, обусловленных упругими колебаниями элементов машины, инерционные силы, связанные с переменной составляющей движущей силы привода, вычисляются согласно схемам, показанным на рисунке 3:

Здесь ;

- динамический коэффициент.

Диапазон значений находится в пределах . Применяемое значение зависит от динамических характеристик приводов, наличия зазоров в них и конструкции машины.

Оценка значения коэффициента производится по следующим рекомендациям:

для центробежных сил;

в случае приводов без люфта или если существующий люфт не оказывает влияния на динамические силы и при плавном изменении сил;

в случае приводов без люфта или если существующий люфт не оказывает влияния на динамические силы и при резком (внезапном) изменении сил;

в случае приводов со значительным люфтом, если не производилась более точная оценка с использованием расчетной динамической модели.

Если сила привода может быть ограничена фрикционными связями или конструкцией приводного механизма, это должно учитываться при назначении коэффициента .

6.2.5 Нагрузки, вызванные смещениями

В расчетах должны учитываться нагрузки, возникающие из-за смещений, предусмотренных проектом грузоподъемного устройства. Такими смещениями могут быть перекосы кранов мостового типа, смещения выносных опор и гусениц самоходных кранов вследствие допустимого уклона рабочей площадки, отклонения от проектного значения размеров и относительного расположения элементов рельсового пути и т.п.

6.3 Нерегулярные нагрузки

6.3.1 Климатические эффекты

6.3.1.1 Ветровые нагрузки рабочего состояния вычисляются в соответствии с Приложением В. Для уточненного определения ветровых нагрузок можно использовать результаты экспериментов и численного анализа динамических моделей. Значение скорости ветра рабочего состояния может быть снижено по сравнению с нормативным, если это предусмотрено в руководстве по эксплуатации, а превышение скорости контролируется соответствующим прибором.

Если контроль динамического давления ветра в верхней точке крана осуществляется с помощью датчика, то нагрузки от ветра рабочего состояния допускается вычислять, полагая величину динамического давления ветра постоянной по высоте и равной принятому расчетному давлению в верхней точке крана, указываемому в руководстве по эксплуатации.

6.3.1.2 Нагрузки от снега и льда должны учитываться при необходимости, если эти виды климатических воздействий характерны для условий эксплуатации грузоподъемного устройства.

6.3.1.3 Нагрузки, обусловленные тепловыми воздействиями (солнечная радиация и др.), следует учитывать в тех случаях, когда они оказывают существенное влияние на работоспособность машины или рассчитываемого элемента.

6.3.2 Нагрузки, вызванные перекосом

Нагрузки, связанные с перекосами металлической конструкции крана или тележки, возникают в результате несинхронности перемещения колес по параллельным рельсам или несовпадения направления свободного качения колес и оси рельса. Эти факторы приводят к возникновению дополнительных сил, воздействующих на направляющие устройства (ролики или реборды колес).

В зависимости от типа, конфигурации и условий работы грузоподъемного устройства перекосные нагрузки могут рассматриваться как регулярные или нерегулярные. Указания по определению значения нагрузок перекоса и категории, к которой они должны быть отнесены, даются в специализированных частях настоящего стандарта, посвященных подъемным устройствам отдельных типов.

6.4 Исключительные нагрузки

6.4.1 Ветровые нагрузки нерабочего состояния

Ветровые нагрузки нерабочего состояния вычисляются в соответствии с Приложением В. Для уточненного определения ветровых нагрузок можно использовать результаты экспериментов и численного анализа динамических моделей.

Рассматривая условия нагружения крана при ветре нерабочего состояния, следует учитывать массу и наветренную площадь груза или грузозахватного приспособления, остающегося подвешенным на кране в нерабочем состоянии.

6.4.2 Испытательные нагрузки

Значения испытательных нагрузок должны приниматься в соответствии с [3].

В случае расчетной проверки несущей способности металлической конструкции крана при действии испытательной нагрузки она должна умножаться на коэффициент :

а) при динамических испытаниях с нагрузкой не менее 110% от паспортной грузоподъемности ,

где определяется в соответствии с 6.2.2.2;

б) при статических испытаниях с нагрузкой не менее 125% от паспортной грузоподъемности .

При проверке несущей способности конструкции в этих случаях необходимо учитывать минимальную среднюю скорость ветра 6 м/с (динамическое давление ветра q = 22 Па).

6.4.3 Нагрузки от удара в буфер

Силы, действующие на конструкцию крана при столкновении с буферами, должны рассчитываться, исходя из кинетической энергии всех движущихся частей устройства. Не должны учитываться массы грузов, расположенных на гибком подвесе, который не ограничивает их горизонтальные колебания. Расчетное значение скорости составляет 0,7 - 1,0 от номинального значения. Более низкие значения могут использоваться в тех случаях, когда они оправданы. Например, применение автоматической системы управления, обеспечивающей надежное замедление движения или если буферные силы не вызывают существенных последствий в случае столкновения с буфером.

Расчет нагрузок может базироваться на твердотельной модели. Должны учитываться особенности поведения системы "движущийся объект - буфер". Если грузоподъемное устройство или его часть имеет ограничение против поворота относительно вертикальной оси (например, направляющие рельсы), то можно предполагать, что деформации буферов одинаковы, и в случае равенства характеристик буферов будут равны и буферные силы (см. рисунок 4, а)

Если направляющие устройства не гарантируют равенство деформаций буферов при столкновении, то буферные силы должны рассчитываться с учетом распределения соответствующих масс и характеристик буферов. Этот случай показан на рисунке 4, б.

Силы инерции взаимодействия движущегося объекта с буферами, должны умножаться на коэффициент , учитывающий упругие колебания металлической конструкции, которые не могут быть определены по твердотельной модели. Значение должно приниматься равным 1,25 в случае буферов с линейными характеристиками (например, пружинные буфера) и равным 1,6 в случае буферов с прямоугольными характеристиками (например, гидравлические буфера с постоянной силой). Для буферов с другими характеристиками должны применяться другие значения, оправданные расчетом или испытанием (рисунок 5).

Так, например, значения для буферов с промежуточными характеристиками могут быть оценены следующим образом:

при ;

при .

Здесь - относительная энергия буфера; - максимальное значение силы сжатия буфера при .

6.4.4 Силы от наклона (качания)

Если наклоненное грузоподъемное устройство может неконтролируемо возвращаться назад в его нормальное положение, должно учитываться ударное воздействие на опорные конструкции.

6.4.5 Нагрузки, вызванные аварийным выключением

Нагрузки, вызванные аварийным выключением, должны оцениваться в соответствии с 6.2.4, учитывая наиболее неблагоприятное состояние привода во время выключения. Значение коэффициента должно выбираться из диапазона .

6.4.6 Нагрузки, вызванные отказом механизма или их элементов

Если при отказе механизмов или их элементов осуществляется аварийное торможение, то следует считать, что отказ и включение аварийного тормоза происходит при наиболее неблагоприятном условии. Если по соображениям безопасности механизмы дублированы, следует предполагать, что отказ происходит в любой части любой системы.

В обоих указанных случаях возникающие нагрузки должны оцениваться в соответствии с 6.2.4, учитывая любые соударения, возникающие при передаче сил.

6.4.7 Нагрузки при колебаниях основания крана

Колебания основания крана, например, сейсмические воздействия, вызывают вынужденные колебания конструкции крана. Необходимость учета таких нагрузок в расчетах грузоподъемного устройства, а также необходимость комбинирования их с массой груза должны быть установлены в нормативных документах или в техническом задании.

6.4.8 Внезапное снятие нагрузки на крюке

При внезапном снятии нагрузки на крюке (обрыв канатов, разрушение крюка и др.) происходят динамические процессы, подобные возникающим при сбросе части груза (см. 6.2.2.3), сопровождающиеся появлением направленной вверх реакции на кран в месте подвески груза. Указанная реакция может определяться из упругого динамического анализа конструкции крана. При отсутствии такого анализа динамический коэффициент может приниматься на основе данных 6.2.2.3 или полагаться равным 0,3.

6.5 Особые нагрузки

6.5.1 Нагрузки, возникающие при монтаже, демонтаже и транспортировке

Должны учитываться нагрузки, действующие на каждой стадии процессов монтажа и демонтажа, включая нагрузки от ветра при скорости ветра не менее 8,3 м/с (динамическое давление ветра q = 43 Па). Более высокие значения могут быть установлены для отдельных типов кранов, рассматриваемых специальными частями данного стандарта. В необходимых случаях эти нагрузки должны быть объединены в комбинации согласно 7.2.

При необходимости также следует учитывать нагрузки, возникающие при транспортировке.

6.5.2 Нагрузки, действующие на галереи, площадки и другие средства доступа

Нагрузки, действующие на средства доступа персонала к элементам машины (галереи, площадки, лестницы, их перила и пр.), следует считать локальными. Это значит, что они учитываются только при расчете средств доступа и элементов несущих конструкций, с которыми они непосредственно связаны.

Сервисные площадки и перила рассчитываются на следующие нагрузки:

- в местах, предназначенных только для прохода персонала, вертикальная нагрузка на настил составляет 1500 Н и распределяется на площадке 200 x 200 мм;

- горизонтальная нагрузка на перила не менее 300 Н.

- в местах, предназначенных для временного складирования инструментов и материалов, вертикальная нагрузка на настил составляет 3000 Н и распределяется на площадке 400 x 400 мм.

Кронштейны, поддерживающие площадки с оборудованием, рассчитываются на вес этого оборудования с учетом соответствующих динамических коэффициентов или .

7.1 Таблица комбинаций нагрузок

Расчетные напряжения, используемые в критериях работоспособности и долговечности элементов механизмов и металлических конструкций, вычисляются путем упруго-статического анализа металлической конструкции или механизмов по методам предельных состояний или допускаемых напряжений на действие всех нагрузок, входящих в определенную комбинацию. В данном стандарте представлена общая структура расчетных комбинаций нагрузок. В зависимости от конструкции и от условий эксплуатации определенного типа кранов эта структура может быть конкретизирована или изменена в части состава нагрузок или набора комбинаций. При практическом расчете конкретного крана составляется таблица нагрузок, соответствующая реальным условиям его эксплуатации.

Основные комбинации нагрузок для расчетов по критериям работоспособности первой и второй групп приведены в таблице 4. В таблице 5 указаны описания ситуаций, соответствующих комбинациям нагрузок. В таблице 6 даны комбинации нагрузок для расчетов на устойчивость положения крана в пространстве (от опрокидывания) и частные коэффициенты надежности по нагрузкам. Расчетные комбинации объединены в группы (см. 5.5). Группа комбинаций нагрузок A содержит регулярные нагрузки, а группа комбинаций B - регулярные нагрузки, объединенные с нерегулярными. Группа C содержит комбинации, представляющие собой совокупности регулярных и нерегулярных нагрузок, объединенных с различными видами исключительных или особых нагрузок.

При вычислении напряжений в каком-либо элементе машины по указанным комбинациям нагрузок направление действия реверсивных нагрузок (инерционных сил, давления ветра и пр.), а также положение грузоподъемного устройства и расположение подвижных нагрузок выбираются так, чтобы в рассчитываемом элементе конструкции создавалось наиболее неблагоприятное напряженное состояние.

7.2 Использование таблицы нагрузок

7.2.1 Общие положения

Для выполнения расчетов грузоподъемного устройства или его элементов по критериям работоспособности необходимо конкретизировать комбинации нагрузок (таблица 4) применительно к проектируемому типу машины и условиям эксплуатации. Это значит, что на основании общего описания комбинаций (таблица 5) должен быть установлен конкретный набор нагрузок и воздействий, учитываемых в каждой комбинации (перечень механизмов, создающих динамические нагрузки, характер кинематических воздействий, смещений, уклонов и пр.). Необходимость учета массы груза при расчете крана на действие сейсмических нагрузок (комбинация C8) определяется в зависимости от его назначения и условий эксплуатации. Указания об этом должны содержаться в техническом задании или в нормативных документах.

По полученному перечню воздействий вычисляются номинальные значения всех нагрузок для каждой комбинации. Эти данные являются основой для дальнейшего вычисления расчетных нагрузок по методам предельных состояний и допускаемых напряжений.

7.2.2 Расчеты по методу предельных состояний

Расчеты по методу предельных состояний осуществляются в соответствии с 5.3.2. Расчетная нагрузка от действия ускорения a_j на массу m_i вычисляется по формуле

где a_j - ускорение от работы j-го механизма;

- динамический коэффициент;

- частный коэффициент надежности по j-й нагрузке;

g - ускорение свободного падения;

- коэффициент ответственности (риска).

Расчетная нагрузка от действия нормативной силы F_j иного происхождения (например, ветровой нагрузки) находится как

Значение коэффициента ответственности крана или рассчитываемого элемента устанавливается в зависимости от риска, который создает возможность возникновения данного предельного состояния (см. 7.4). Расчетное напряжение по каждой комбинации нагрузок групп A, B или C вычисляется с учетом всех нагрузок, входящих в комбинацию.

7.2.3 Расчеты по методу допускаемых напряжений

Расчеты по методу допускаемых напряжений осуществляются в соответствии с 5.3.3. Расчетная нагрузка от действия ускорения на массу m_i вычисляется по формуле

Расчетная нагрузка от действия номинальной силы F_jn иного происхождения (например, ветровой нагрузки) находится как

Обозначения даны в 7.2.2.

Расчетное напряжение по каждой комбинации нагрузок групп A, B или C вычисляется с учетом всех нагрузок, входящих в комбинацию.

7.2.4 Комбинации нагрузок для подтверждения несущей способности

Расчеты по критериям работоспособности II группы производятся по методу предельных состояний или по методу допускаемых напряжений по комбинациям нагрузок из групп A, B и C, которые формируются в соответствии с типом крана и с условиями его эксплуатации. При этом используются соответствующие коэффициенты надежности или запаса прочности, приведенные в таблице 4. В комбинации группы B можно включать максимальное реально возможное в эксплуатации сочетание механизмов.

7.2.5 Комбинации нагрузок для подтверждения долговечности

Расчеты по критериям долговечности производятся по методу допускаемых напряжений по комбинациям нагрузок, представленным в группе A и, в необходимых случаях, в группе B. Для расчета на сопротивление усталости вводятся специальные комбинации нагрузок для вычисления минимальных напряжений в рассчитываемом элементе. В расчетах элементов машины на долговечность фигурируют также данные о количестве нагружений или длительности воздействий. Источником этих данных являются группы режима работы механизмов и крана в целом. Систематизация нагрузок для расчетов долговечности производится в соответствии с Приложением А.

7.2.6 Комбинации нагрузок для подтверждения несущей способности при монтаже, демонтаже и транспортировке

Подтверждение несущей способности по комбинации нагрузок C11 должно быть выполнено для каждой стадии процесса монтажа и демонтажа. При этом принимаются во внимание соответствующие этим стадиям нагрузки и их сочетания, а также положение и условия закрепления элемента машины. В необходимых случаях выполняются аналогичные расчеты по нагрузкам, возникающим при транспортировке изделия.

7.2.7 Расчеты для подтверждения жесткости

Ограничение упругих перемещений и колебаний конструкции крана имеет следующие цели:

- предотвращение столкновения элементов крана или груза с окружающими объектами;

- обеспечение заданной траектории перемещения груза с минимальными колебаниями и повышение производительности крана;

- облегчение и повышение комфортности труда оператора крана;

- обеспечение проектных условий разгона и торможения механизмов с учетом деформаций пролетного строения под нагрузкой;

- предотвращение колебаний и относительного смещения частей механизмов крана, приводящих к их ускоренному износу.

Если требуется подтверждение жесткости элементов крана в форме проверки перемещений (статическая жесткость), расчет выполняется в форме условия

где - прогиб от действия номинальных значений сил тяжести, создающих переменный прогиб, т.е. от сил тяжести груза и тележки (если она есть);

L - характерный размер, относительно которого нормируется прогиб;

- допускаемое значение относительного прогиба.

В случаях, когда требуется подтверждение динамической жесткости, т.е. проверки частот или времени затухания колебаний конструкции, эти характеристики вычисляются при наличии груза на грузозахватном органе и таком расположении элементов крана, при котором получается наименьшая частота колебаний.

7.2.8 Учет распределения масс крана

7.2.8.1 При расчете элементов конструкции кранов необходимо учитывать благоприятное и неблагоприятное воздействия масс крана на нагруженность рассматриваемого элемента. При анализе напряжений масса считается оказывающей благоприятное воздействие, если ее увеличение снижает в рассматриваемом элементе конструкции расчетное напряжение, и неблагоприятное - если увеличивает его.

Так, при наличии груза противовес оказывает благоприятное воздействие - уменьшает изгибающий момент L в башне крана (рисунок 6, а), а при отсутствии груза (рисунок 6, б) - увеличивает момент L, оказывая неблагоприятное воздействие. По отношению к усилию сжатия в башне противовес в обоих случаях оказывает неблагоприятное воздействие - увеличивает силу сжатия.

7.2.8.2 При расчете по методу предельных состояний значения частных коэффициентов надежности для масс крана (см. таблицы 4 и 6) выбираются по таблице 7 в зависимости от эффекта их воздействия на рассчитываемый элемент конструкции (см. 7.2.8.1).

7.2.8.3 При расчете по методу допускаемых напряжений значение общего коэффициента надежности принимается, как указано в таблице 4, однако массу элемента конструкции крана с благоприятным эффектом снижают умножением ее на коэффициент редукции:

7.2.9 Частные коэффициенты надежности для перемещений (уклонов)

Верхние и нижние значения частных коэффициентов надежности, отражающие возможный разброс нагрузок, возникающих в результате преднамеренных (предусмотренных проектом) смещений, приведены в таблице 8. Такие смещения могут возникать, например, вследствие предварительного натяжения элементов конструкции крана для выборки зазоров, создания сил трения и др.

Значения частных коэффициентов надежности для случаев непреднамеренных смещений (например, обусловленных допустимым уклоном рабочей площадки, неравной осадкой основания, изменением расстояния между рельсами и др., в определенных проектом пределах) приведены в таблице 9.

7.3 Коэффициенты надежности для проверки устойчивости крана от опрокидывания

В таблице 6 приведены коэффициенты надежности для проверки устойчивости крана от опрокидывания для основных комбинаций нагрузок A1, A2, B1, C2, C3, C4, C6, C8, C9, C10, C11. В расчетах устойчивости от опрокидывания по указанным комбинациям нагрузок все динамические коэффициенты, за исключением и , принимаются равными единице. Значения и определяются по 6.2.2.3 и 6.4.8 соответственно, и принимаются равными 0,1, если получается больше.

7.4 Коэффициент ответственности конструкции

Коэффициент ответственности рассчитываемого элемента конструкции выбирается по таблице 10 в зависимости от класса ответственности крана (таблица 11) и класса ответственности элемента конструкции (таблица 12). Для нерабочего состояния может быть принято .

А.1 Систематизация циклических воздействий на металлическую конструкцию

А.1.1 Режим циклического нагружения металлической конструкции характеризуется группой классификации крана (таблица А.1) [2]. Каждой группе классификации соответствует ряд сочетаний классов использования, и режимов нагружения. Класс использования определяется количеством циклов работы крана за срок службы C_T (таблица А.2). Режим нагружения характеризуется значением коэффициента распределения нагрузок K_P (таблица А.3), который вычисляется как

где С_i - количество циклов работы крана с грузом массой P_i;

- общее количество циклов работы крана за срок службы;

P - грузоподъемность крана.

А.2 Систематизация циклических воздействий на элементы механизмов

Исходную информацию о нагрузках для проектирования элементов механизмов задает группа классификации механизмов (таблица А.4) [2]. Этой группе соответствует ряд сочетаний классов использования, которые определяют общую продолжительность использования механизма за срок службы (таблица А.5), и режимов нагружения, связанные со значением коэффициента распределения нагрузок (таблица А.6), который вычисляется как

где t_i - продолжительность использования механизма при уровне нагрузки P_i;

- общая продолжительность использования механизма;

P_max - значение наибольшей нагрузки, прикладываемой к механизму.

Б.1 Рекомендации по выбору классов подъема

Рекомендации по выбору классов подъема приведены в таблице Б.1.

Б.2 Иллюстрации типов приводов механизма подъема

Иллюстрации различных типов приводов представлены в таблице Б.2.

Ветровая нагрузка, действующая на элемент грузоподъемного устройства или груз, вычисляется по формуле

где p_w - суммарная распределенная ветровая нагрузка на единицу наветренной площади;

A - наветренная площадь элемента или груза.

Суммарная распределенная ветровая нагрузка, равная сумме статической и динамической составляющих, вычисляется как

где p - распределенная ветровая нагрузка на единицу площади для рабочего или нерабочего состояния, которую следует вычислять по ГОСТ 1451;

K - коэффициент, учитывающий вероятность появления ветра максимальной скорости в зависимости от срока эксплуатации крана; значение этого коэффициента для ветровой нагрузки нерабочего состояния принимается по таблице В.1, для ветровой нагрузки рабочего состояния K = 1;

- коэффициент пульсации ветра, зависящий от высоты расположения наветренной площади (таблица В.2);

- динамический коэффициент, зависящий от периода свободных колебаний конструкции.

Значения коэффициента приводятся в специальных частях стандарта. При отсутствии необходимых данных можно использовать соотношение

где - период свободных колебаний конструкции крана с грузом по первому тону, с. Для груза произведение .

Значение наветренных площадей элементов и груза находится по указаниям ГОСТ 1451. Наветренная площадь груза для кранов грузоподъемностью более 100 т определяется в зависимости от геометрических характеристик максимальных грузов для конкретного крана. При отсутствии более достоверных данных можно принимать наветренную площадь груза из расчета 1 м² на 1 т грузоподъемности при коэффициенте аэродинамической силы, равном 1,2.