Повышение эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОРТОВЫХ КРАНОВ ПРИ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗКАХ

Подобед Виталий Александрович

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Москва - 2007

Работа выполнена в Морской академии ФГОУ ВПО

"Мурманский государственный технический университет"

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук,

профессор Гаранин Н.П.,

доктор технических наук,

профессор Гагарский Э.А.,

доктор технических наук,

профессор Степанов В.А.

Ведущая организация - ЗАО "Центральный научно-исследовательский институт морского флота".

Защита диссертации состоится "___" _________200__ года в ___ часов ____ мин. на заседании диссертационного совета Д 223.006.01 Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 113105, г. Москва, Новоданиловская набережная, дом 2, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАВТ.

Отзывы на автореферат прошу присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, в Московскую государственную академию водного транспорта по адресу: 113105, г. Москва, Новоданиловская набережная, дом 2, корп. 1. Адрес интернет-сайта: www.msawt.ru. E - mail: msawt@msawt.ru.

Автореферат разослан " "____________ 200__ года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Корчагин Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Правилами технической эксплуатации перегрузочных машин морских портов, Правилами безопасности труда в морских портах и Правилами техники безопасности в морских рыбных портах запрещалось использование кранов при скорости ветра 15 м/с и более, из-за чего время простоев флотов и портов в Министерствах морского флота и рыбного хозяйства составляло в среднем свыше 300 часов в год, что приводило к миллионным убыткам. В связи с этим весьма актуальным является использование кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, позволяющее значительно сократить простои водного транспорта и судов промыслового флота в морских портах.

До настоящих исследований отсутствовали научные разработки и публикации, посвященные влиянию ветровых нагрузок на работоспособность портовых кранов. В нормах и расчетах портовых кранов ветровая нагрузка рассматривается как статическая нагрузка. При этом не учитываются конструктивные и эксплуатационные особенности кранов, технология перегрузочных работ, парусность грузов, а также векторная природа ветровой нагрузки.

Решение проблемы по сокращению простоев флотов по причине сильного ветра возможно за счет выявления резервов кранов и их использовании при скорости ветра свыше 15 м/с. Это может быть достигнуто разработкой научно обоснованных методов повышения эффективности использования портовых кранов, расширяющих диапазон скоростей ветра для их рабочего состояния. Внедрение в портах данных методов, разработанных на основе усовершенствованных методик исследования работы кранов при ветровых нагрузках, внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

Целью исследования является разработка научно обоснованных методов повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Исследование резервов работоспособности портовых кранов и обоснование методов повышения эффективности их использования при ветровых нагрузках.

2. Исследование основных параметров ветровой нагрузки и разработка методики расчета портальных кранов на ветровую нагрузку.

3. Разработка математической модели работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

4. Теоретические исследования основных показателей работоспособности портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

5. Обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния кранов зависимости типа крана, технологии работ, геометрических параметров циклов работы и парусности грузов.

6. Проведение экспериментальных испытаний моделей портальных кранов в аэродинамической трубе.

7. Проведение натурных испытаний и опытной эксплуатации портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с.

8. Разработка методики составления ветровой карты и исследование ветровых режимов портов с помощью анемометрических съемок.

9. Разработка нормативных актов и документов, регламентирующих использование портовых кранов при ветровых нагрузках.

10. Определение технико-экономической эффективности результатов выполненных исследований.

Объектами исследования являются портовые краны, а предметом исследования - повышение эффективности использования портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках.

Базовыми методологическими научными работами являются работы в области математического моделирования и исследования режимов работы кранов Гаранина Н.П., Брауде В.И., Ерофеева Н.И., Комарова М.С., Сиротского В.Ф., в области исследования воздействия ветровых нагрузок на инженерные сооружения и башенные краны - Барштейна М.Ф., Давенпорта А.Г., Когана И.Я., Невзорова Л.А, Зарецкого А.А. и других ученых.

Методы исследования. В исследованиях использовались положения теоретической механики, динамики машин и крановых установок, теории электропривода, экспериментальной аэродинамики; методы математического моделирования воздействия ветра на краны; численные методы решения дифференциальных уравнений; метод конечных элементов (МКЭ); методы физического моделирования ветровой нагрузки на краны в аэротрубе и натурных экспериментов; методы математической статистики и теории вероятностей, опытной эксплуатации портовых кранов и анемометрических съемок.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов, полученных в диссертации, обеспечивается использованием перечисленных выше методов исследования; совпадением полученных статистических характеристик порывистости ветра с результатами исследований отечественных и японских ученых; совпадением результатов математического моделирования и натурных экспериментов; совпадением результатов исследования динамических характеристик крановых конструкций, полученных МКЭ, с результатами других авторов; совпадением значений коэффициентов аэродинамического сопротивления крановых конструкций при определенных углах атаки воздушного потока с расчетными по ГОСТ 1451-77; применением точных средств измерения исследуемых величин при проведении модельных аэродинамических испытаний и натурных экспериментов на портальных кранах; результатами опытной эксплуатации портовых кранов при ветровых нагрузках, а также практической реализацией результатов исследования.

Научная значимость результатов работы. В диссертации получены следующие основные результаты, определяющие ее научную значимость.

1. Теоретически и экспериментально доказана возможность использования кранов в морских и рыбных портах при скорости ветра свыше 15 м/с в зависимости от типа крана, технологии перегрузочных работ, геометрических параметров циклов работы и парусности грузов.

2. Разработаны методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках: использование кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, но в пределах паспортных значений ветровых нагрузок; использование кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений; использование кранов в зонах ветровых теней.

3. Разработана математическая модель режима работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

4. Предложена методика комплексного исследования основных показателей работоспособности портальных кранов и обоснования допустимых ветровых нагрузок для их рабочего состояния.

5. Усовершенствована методика расчета портальных кранов на ветровую нагрузку.

6. Численными методами исследованы основные показатели работоспособности наиболее распространенных в портах портальных кранов типа Альбрехт, Альбатрос, Сокол, Кондор, Кировец, Ганц и Форель.

7. Предложен способ расчета динамических характеристик крановых конструкций МКЭ, позволяющий на стадии проектирования определять динамическое воздействие ветра на грузовую устойчивость крана.

8. Предложен дифференцированный метод определения допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния кранов.

9. Предложена методика и выполнены модельные испытания некоторых типов портальных кранов и анемометров в аэродинамической трубе.

10. Разработана методика составления ветровой карты и с помощью анемометрических съемок составлены ветровые карты некоторых портов.

11. Достоверность математической модели и выполненных теоретических исследований режимов работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра подтверждена приведенными методикой и результатами натурных испытаний кранов "Альбрехт" при скорости ветра свыше 15 м/с.

12. Разработанные в диссертации методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках подтверждены результатами опытной эксплуатации портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских торговых и рыбных портах.

Практическая значимость работы.

1. Разработанные методы повышения эффективности использования портовых кранов позволяют расширить диапазон допустимых скоростей ветра для их рабочего состояния до 22 м/с, а в отдельных случаях до 25 м/с и более, а также использовать краны в зонах ветровых теней.

2. Разработанная математическая модель режима работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра и численный метод расчета основных показателей их работоспособности портальных кранов позволяют на стадиях проектирования и эксплуатации кранов определять допустимые ветровые нагрузки для их рабочего состояния.

3. Усовершенствованная методика расчета портальных кранов на ветровую нагрузку позволяет более обоснованно подходить к задачам проектирования портальных кранов и повышает их эксплуатационные возможности.

4. Предложенная методика и выполненные исследования моделей портальных кранов и их отдельных частей в аэродинамической трубе позволили уточнить расчетную ветровую нагрузку на кран в целом.

5. Предложенный дифференцированный метод определения допустимой ветровой нагрузки на портальные краны для их рабочего состояния позволяет устанавливать допустимые скорости ветра для каждого типа кранов.

6. Выполненное теоретическое обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния портовых кранов в зависимости от типа крана, технологии работ, парусности грузов и защищенности причалов от ветра препятствиями, позволило разработать методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках.

7. Методика составления ветровой карты порта позволяет прогнозировать скорости ветра в порту, а при получении штормового предупреждения планировать расстановку судов и бригад портовых рабочих. Она позволяет определять места установки ветроизмерительных приборов и тем самым повышать эффективность использования портовых кранов при сильном ветре.

8. Сформулированы дополнительные требования к техническим условиям на проектирование портальных кранов с учетом их эксплуатации при повышенных ветровых нагрузках.

Разработаны рекомендации по регулировке тормозов механизмов поворота и вылета стрелы кранов при воздействии ветра, а также выбору анемометров, местах их установки на кране и порту, а также их поверке.

9. Результаты выполненных исследований позволили разработать отраслевые нормативные акты, регламентирующие использование портовых кранов при скорости ветра до 22 м/с, а также в зонах ветровых теней.

10. Подтвержденный ЗАО "ЦНИИМФ" экономический эффект от результатов внедрения диссертационной работы в портах Минтранса составляет 25 млн. рублей в год, а ФГУП "ГИПРОРЫБФЛОТ" в рыбных портах Федерального агентства по рыболовству 10 млн. руб. в год.

11. Результаты исследований отражены в учебном пособии "Охрана труда", рекомендованном УМО на водном транспорте для студентов и курсантов ВУЗов водного транспорта и рыбного хозяйства.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в соответствии с планами НИР с морскими пароходствами, торговыми и рыбными портами, а также отраслевой программой, утвержденной Государственным комитетом по рыболовству России от 30.11.2001 г.

Результаты выполненных исследований использовались в нормативных актах Министерств морского флота и рыбного хозяйства.

Для портов Калининград, Мурманск, Одесса и Находка составлены с участием автора ветровые карты, утвержденные руководством портов.

Получено заключение завода Кранбау Эберсвальде (Германия), подтверждающее эксплуатацию кранов данного завода при ветровых нагрузках свыше паспортных значений (при скорости ветра до 22 м/с).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОИИМФа в 1975-1984 г.г.; региональных научно-технических конференциях в г. Артеме Приморского края в 1976-1983 г.г.; второй научно-технической конференции "Электропривод и автоматизация кранов", Одесса, 1981г.; научно-технических конференциях профессорско-преподава-тельского состава МГТУ 1985-2005г.г; научно-технической конференции "Проблемы продления навигации", Нижний Новгород, 1991г.; первом съезде специалистов по безопасности деятельности человека, Санкт-Петербург, 1992; Международном симпозиуме "Предупреждение риска", Москва, 1992. Материалы диссертации обсуждались на заводе Кранбау Эберсвальде, в портах Калининград, Мурманск, Находка, Одесса, Ильичевск, Измаил, Петропавловск-Камчатский и многих других портах; ЛенморНИИпроект, ЧерноморНИИпроект, ГИПРОРЫБФЛОТ, в службах портов Черноморского, Советско-Дунайского и Балтийского пароходств, ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота, а также работников рыбного хозяйства; Черноморском, Ленинградском и Дальневосточном баскомфлотах, Министерствах морского флота и рыбного хозяйства.

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 32 печатных работах и отражены в 13 отчетах о научно-исследователь-ской работе, зарегистрированных в ВНТИЦ.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках.

2. Методика расчета портовых кранов на ветровую нагрузку.

3. Математическая модель режима работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

4. Методика исследования показателей работоспособности кранов и обоснования допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния.

5. Методика и результаты модельных испытаний портальных кранов

и анемометров в аэродинамической трубе.

6. Методика и результаты натурных испытаний и опытной эксплуатации портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с.

7. Методика составления ветровой карты порта.

8. Результаты реализации выполненных исследований.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 357 с., основной текст 251 с, 49 рис., 38 табл., перечень использованной отечественной и иностранной научно-технической литературы из 213 наименований на 20 с., включая работы автора, приложения на 106 с. включая 6 рис., 5 табл.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

портовый кран ветровой нагрузка

В введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, изложены научная новизна и практическая значимость работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ приказов начальников морских портов о работе кранов при ветровых нагрузках, а также нормативных актов по эксплуатации и расчету кранов на ветровую нагрузку, выполнен анализ научных работ и сформулированы задачи исследований.

До настоящих исследований отраслевыми правилами по технической эксплуатации кранов и правилами по охране труда в торговых и рыбных портах запрещалось использование кранов при скорости ветра 15 м/с и более. При этом не указывалось, является ли допустимая скорость ветра средней или максимальной в порывах; не оговаривалась высота измерения скорости ветра; не учитывались конструктивные и эксплуатационные особенности кранов, а также технологические схемы работ и парусность грузов.

В действующих стандартах расчетная ветровая нагрузка рассматривается как статическая нагрузка, при этом не учитываются собственные скорости движения крановых механизмов, а также векторная природа ветровой нагрузки. При расчете коэффициентов аэродинамического сопротивления не учитывались все конструктивные элементы крана и их аэродинамическое взаимовлияние. Существующие методы расчета не позволяют определять влияние ветровой нагрузки на кран с грузом, включая ее динамическое воздействие, как на материальную систему с пятью степенями свободы с подвижной точкой подвеса и поперечными колебаниями груза.

В научных трудах, относящихся к теме диссертации, видное место занимают труды Сиротского В.Ф., Ерофеева Н.И. и Гаранина Н.П., которые являются основополагающими при исследовании режимов работы портовых портальных и плавучих кранов. Динамике кранов с электроприводом посвящены монографии Комарова М.С., Казака С.А. и других авторов. Исследования, посвященные надежности и долговечности портальных кранов, выполнены Артемьевым П.П., Брауде В.И. и рядом других ученых.

Вопросы проектирования и расчета кранов и установок, изложенные в учебниках Дукельским А.И., Гараниным Н.П., Степановым А.Л., являются базовыми при подготовке портовых инженеров. Теоретическому обоснованию и практической реализации прогрессивных транспортно-технологичес-ких систем посвящены научные труды Гагарского Э.А., на основании которых разработаны руководящие документы Минморфлота и учебные пособия для студентов транспортных специальностей ВУЗов.

В области исследования воздействия ветровых нагрузок на инженерные сооружения и башенные краны следует отметить работы Барштейна М.Ф., Давенпорта А.Г., Когана И.Я., Невзорова Л.А., Зарецкого А.А.

Применению МКЭ для определения динамических характеристик судовых и других конструкций посвящены работы Постнова В.А., Козлякова В.В., Лукаша Э.П., Шишенина Э.А. и других ученых.

Описанию экспериментальных установок, приборов измерений, методике и технике проведения модельных испытаний в аэродинамической трубе посвящено большое количество монографий и трудов, в частности, Горлина С.М., Костюкова А.А., Повха И.Л., Седова Л.И. и других ученых.

Состояние предмета в области расчетных ветровых нагрузок на сооружения представлено в работах Анапольской Л.Е., Завариной М.В.

Работы, посвященные исследованию образования ветровых теней за одиночными зданиями и сооружениями с целью изучения их аэрации, были выполнены Реттером Э.И., Серебровским В.Л. и Максимкиной Н.Г.

В перечисленных научных работах и трудах: не исследовались реальные параметры ветровой нагрузки и аэродинамические характеристики портальных кранов; отсутствуют аналитические зависимости ветровой нагрузки на кран с грузом в функции обобщенных координат движения механизмов; отсутствуют математические модели режима работы портальных кранов, как материальной системы с пятью степенями свободы с учетом динамических характеристик крана, электропривода и динамического воздействия ветра; не исследовались вопросы влияния ветра на основные показатели работы кранов, не учитывались их паспортные характеристики и технологические схемы работ; не исследовалось влияние ветра на поведение груза в пространстве в зависимости от его парусности, не учитывалась векторная природа ветровой нагрузки; не изучались ветровые режимы портов, не производились анемометрические съемки в портах; не составлялись ветровые карты портов и не исследовались эксплуатационные характеристики анемометров.

Вторая глава посвящена анализу воздействия ветровой нагрузки на портовые портальные краны с учетом характера изменения ветровой нагрузки во времени, по высоте крана, собственных скоростей движения механизмов и влияния рельефа местности и портовой застройки.

Составлена расчетная схема нагрузок на кран с прямой стрелой и шарнирно-сочлененной укосиной. Расчетная схема крана с грузом является жесткой неконсервативной материальной системой с пятью степенями свободы, которая представлена в цилиндрической системе координат, характеризующих параметры рабочего процесса крана. Две координаты определяют текущее положение точки подвеса груза, а три других - положение центра тяжести груза при голономной нестационарной идеальной связи. При этом принятые допущения в расчетной схеме отвечают основной поставленной цели.

Для решения поставленных задач использовались уравнения Лагранжа второго рода. Эти уравнения составлены на основе обобщенных координат и соответствующих им обобщенных сил, включая ветровую нагрузку. Ветровая нагрузка представлена в виде суммы двух ее составляющих: статической - соответствующей средней скорости и динамической - соответствующей пульсационной составляющей скорости ветра.

В результате анализа работ советских и японских ученых, а также статистической обработки записей скоростей ветра, выполненных автором на метеостанции Ильичевск-порт, и статистической обработки зарегистрированных случаев действия средних скоростей ветра от 15 до 20 м/с с порывами в 11-и портах, расположенных в различных ветровых районах, установлены:

основные параметры ветрового воздействия на портовые краны, к которым относятся средняя скорость ветра, осредненная за 2-х минутный интервал времени, максимальная скорость ветра, осредненная за 5-секундный интервал времени; порывистость ветра, характеризующаяся коэффициентами порывистости (пульсаций), равными отношению максимальной скорости ветра в порывах к средней скорости ветра и продолжительностью порывов (пульсаций), а также направление ветра, как векторная величина;

скорость ветра можно представлять в виде суммы двух ее составляющих: статической, соответствующей средней скорости ветра, осредненной за 2-х минутный интервал времени, и динамической составляющей, характер изменения которой в функции времени можно представить графиками тригонометрических функций - синусоидами со случайными амплитудами пульсаций, определяемыми коэффициентами порывистости и продолжительностью порывов (пульсаций);

установлена статистическая зависимость между средними скоростями ветра, коэффициентами порывистости и продолжительностью порывов ветра;

получен закон распределения максимальных пульсаций ветра, который близок к нормальному с наиболее вероятным значением коэффициента порывистости Кп = 1,25 и пределами его изменения - 1,05 < Kп < 1,45, и соответствующих им круговых частот 1,26 0,16 (5 40, с); повторяемость коэффициентов порывистости, не превышающих 1,45, составляет 99%;

построены экспериментальные кривые статистического распределения времени действия ветра по одному и тому же его направлению.

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.

Третья глава посвящена математическому моделированию режима работы портальных кранов и численным методам исследования основных показателей работы портальных кранов "Альбрехт" и "Кировец" при динамическом воздействии ветра. В качестве основных показателей работоспособности кранов установлены максимальные эксплуатационные нагрузки в механизмах вылета стрелы и поворота крана, эквивалентные нагрузки, определяющие тепловой режим двигателей механизмов, углы раскачивания груза в пространстве и управляемость кранов, определяемая переходными процессами, а также коэффициент грузовой устойчивости крана.

Эти показатели могут быть определены с помощью численных методов решения дифференциальных уравнений на ЭВМ, моделирующих работу портальных кранов при динамическом воздействии ветра. В разработанную профессором 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: , с, и , с, z - координаты соответственно точки подвеса и самого груза; S - натяжение грузового каната; mа - масса стрелового устройства, приведенная к точке подвеса груза; mл - масса лебедки, приведенная к окружности грузового барабана; m - масса груза; L - длина стрелы; h - высота точки подвеса груза над поверхностью земли; h0 - высота оси качания стрелы над поверхностью земли; r0 - расстояние от оси вращения крана до оси качания стрелы; nn - кратность грузового полиспаста; g - ускорение свободного падения; M, Mтр, Му - моменты, приведенные к оси вращения крана, соответственно: движущий, силы трения и крена крана; Р, Ртр, Рс - силы, приведенные к точке подвеса груза соответственно: движущая, трения и от неуравновешенности собственного веса стрелового устройства и веса груза; Рz - движущая сила, приведенная к окружности грузового барабана; А - переводной коэффициент скорости ветра V в давление; См, Сх, , , 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 (с=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.

При исследуемых характерных циклах работы кранов, параметрах ветрового потока и груза время переходных процессов механизмов изменяется в допустимых пределах. Установлено, что время переходных процессов зависит от направления и величины средней скорости ветра, динамических характеристик крана и практически мало зависит от порывистости ветра и парусности грузов. Для характерных циклов применительно к рассматриваемым типам кранов, допустимая скорость ветра рабочего состояния по условию управляемости составляет 20 м/с с порывами до 28 м/с. При возможном сочетании нагрузок на механизмы кранов при их работе в наихудших условиях допустимая средняя скорость ветра для кранов "Альбрехт" и "Кировец" составляет 18 м/с с порывами до 22 м/с. При этом время переходных процессов механизмов 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 с 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 технологические схемы работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузов; использование кранов в зонах ветровых теней.

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, поворот крана = 130-140 в зависимости от КF	Работа кранов без ограничения на и в зависимости от КF
"Альбрехт"	KF 0,5	20 м/с с порывами до 25 м/с	0,5<KF 1,0	17 м/с с порывами до 21 м/с
	0,5<KF 1,0	18 м/с с порывами 22 м/с	1,0<KF 2,0	15 м/с с порывами до 18 м/с
	1,0<KF 2,0	15 м/с с порывами до 18 м/с
"Кировец"	KF 0,5	20 м/с с порывами до 25 м/с	0,5<KF 1,0	18 м/с с порывами до 22 м/с
	0,5<KF 1,0	18 м/с с порывами до 22 м/с
	1,0<KF 1,5	15 м/с с порывами до 18 м/с	1,0<KF 1,5	15 м/с с порывами до 18 м/с
	1,5<KF 2,0	до 15 м/с	1,5<KF 2,0	до 15 м/с
"Сокол" "Альбатрос" "Кондор"	KF 0,5	20 м/с с порывами до 25 м/с	0,5<KF< 1,0	18 м/с с порывами до 22 м/с
	0,5<KF 1,0	18 м/с с порывами до 22 м/с
	1,0<KF 1,5	15 м/с с порывами до 18 м/с	1,0<KF <1,5	15 м/с с порывами до 18 м/с
	1,5<KF 2,0	до 15 м/с	1,5<KF <2,0	до 15 м/с
"Ганц"	KF 0,5	18 м/с с порывами до 20 м/с	0,5<KF< 1,0	15 м/с с порывами до 18 м/с
	0,5<KF 1,0	15 м/с с порывами до 18 м/с
	1,0<KF 2,0	до 15 м/с	1,0<KF <2,0	до 15 м/с
"Форель"	0,5<KF 1,0	15 м/с с порывами до 18 м/с	0,5<KF< 1,0	до 15 м/с
	1,0<KF 2,0	до 15 м/с

При паспортных значениях скорости ветра 18 м/с для кранов типа Альбрехт, Альбатрос, Сокол и Кондор с ограничениями, накладываемыми на вылет стрелы до 20-22 м, коэффициент парусности КF не должен превышать 1,5, а при паспортных значениях скорости ветра 20 м/с для кранов "Кировец" и 18 м/с для кранов "Ганц" и "Форель" - КF не должен превышать 1,0.

Использование кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений допускается с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузов. Рассчитанную допустимую скорость ветра 22 м/с для рабочего состояния кранов "Альбатрос", "Сокол" и "Кондор" подтвердил завод-изготовитель Кранбау Эберсвадьде. При указанной скорости ветра разрешается перегружать грузы кранами с ограничениями на геометрические параметры циклов их работы (=22 м,  = 130-140) с коэффициентом парусности КF ? 1,0, а без ограничений на геометрические параметры циклов работы кранов - с коэффициентом парусности КF ? 0,5.

Эксплуатационные зоны, ограничиваемые вылетом стрелы с и углом вращения ц для крана "Кировец". В кружках обозначены величины допускаемых скоростей ветра (м/с) для соответствующих зон; а1а1, а2а2, а3а3 - границы эксплуатационных зон

Использование портальных кранов при ветровых нагрузках значительно выше паспортных значений допускается при более жестких ограничениях, накладываемых на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузов. Для кранов "Кировец" с такими ограничениями получены расчетные эксплуатационные зоны, приведенные на рисунке при перегрузке грузов с КF ? 0,5, для которых максимальная допустимая скорость ветра составляет 28 м/с.

На основании выполненных исследований и писем Минморфлота и ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота была проведена в 1981-1982г.г. опытная эксплуатация кранов "Альбрехт" при паспортных значениях ветровых нагрузок без участия рабочих в строповке (отстроповке) грузов в портах Ильичевск и Измаил в соответствии с разработанными "Типовой инструкцией по безопасной эксплуатации кранов "Альбрехт" при ветровых нагрузках" и "Программой опытной эксплуатации кранов "Альбрехт" при ветровых нагрузках", утвержденными руководством портов. Положительные результаты опытной эксплуатации были оформлены актами, утвержденными главными инженерами портов и согласованными техническими инспекторами труда ЦК профсоюза при Черноморском и Дунайском баскомфлотах.

На основании результатов опытной эксплуатации кранов "Альбрехт" при скорости ветра свыше 15 м/с в портах Ильичевск и Измаил и письма Минморфлота и ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота была проведена в 1982-1984 г.г. дополнительная опытная эксплуатация кранов при повышенных ветровых нагрузках в портах Ленинград, Мурманск, Клайпеда, Ильичевск и Измаил, на основании которой были разработаны и внесены дополнения в Правила безопасности труда в морских портах (РД 31.82.03-87) и Правила технической эксплуатации подъемно-транс-портного оборудования морских портов (РД 31.1.02-04), разрешающие эксплуатацию портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с.

Опытная эксплуатация портальных кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, которая проводилась в указанных портах при порывах ветра до 22 м/с, подтвердила Заключение завода Кранбау Эберсвальде о возможности использования этих типов кранов при указанных ветровых нагрузках.

Проведенная в соответствии с письмами Мурманского округа Госгортехнадзора, Минрыбхоза и ЦК профсоюза работников рыбного хозяйства в 1988-1989 г.г. опытная эксплуатация кранов в Мурманском рыбном порту подтвердила возможность использования кранов при паспортных значениях ветровых нагрузок при перегрузке грузов с участием рабочих в строповке (отстроповке) грузов. Результатом опытной эксплуатации портальных кранов с участием рабочих в строповке (отстроповке) грузов при скорости ветра от 15 до 22 м/с явилась разработка "Типовой инструкции по эксплуатации портальных кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах", которая была утверждена приказом Минрыбхоза и ЦК профсоюза работников рыбного хозяйства № 439 от 3 ноября 1989г.

На основании выполненных исследований ветровых режимов портов и писем Минморфлота и ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота был проведен эксперимент по опытной эксплуатации кранов при сильном ветре в зонах ветровых теней в портах Мурманск, Калининград, Одесса и Находка. Опытная эксплуатация производилась на основании разработанных Программы эксперимента, "Положения об опытной эксплуатации кранов морского порта при сильном ветре" и "Методики составления ветровой карты порта", согласованных с техническими инспекциями профсоюза баскомфлотов и утвержденных начальниками указанных портов. Методика составления ветровой карты была согласована также с Одесской гидрометеорологической обсерваторией, морскими гидрометеорологическими станциями Одесса-порт, Ильичевск-порт и Мурманск. Результаты проведения эксперимента в портах Мурманск, Калининград, Одесса и Находка были оформлены актами и утверждены начальниками портов по согласованию с техническим инспекциями профсоюза соответствующих баскомфлотов.

В результате анемометрических съемок в портах Калининград, Мурманск, Находка и Одесса были составлены с участием автора ветровые карты портов, утвержденные руководством портов.

На основании результатов выполненных исследований ветровых режимов портов и составленных ветровых карт портов Калининград, Мурманск, Находка и Одесса была разработана "Методика составления ветровой карты порта", вошедшая в состав "Типовой инструкции по эксплуатации портальных кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах", которые были включены в "Правила по охране труда в морских рыбных портах", утвержденные в 2001 году приказом Госкомитета РФ по рыболовству и согласованные Минтруда РФ. Результаты выполненных исследований также вошли в 2005г. в проекты "Правил по охране труда в морских рыбных портах" и "Правил по охране труда для судоремонтных предприятий".

Анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей, а также исследование аэродинамических характеристик крановых анемометров в аэродинамической трубе позволили сформулировать требования к анемометрам и дать рекомендации по их выбору, поверке и месту установки на кранах и на территории порта.

Результаты внедрения выполненных исследований в нормативных актах Минморфлота и рыбного хозяйства позволяют расширить диапазон использования портовых кранов до скорости ветра 22 м/с, а также в зонах ветровых теней.

Шестая глава посвящена определению убытков от простоев водного транспорта в морских портах и технико-экономической эффективности результатов выполненных научных исследований.

В результате опытной эксплуатации портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках определен экономический эффект от использования кранов при паспортных значениях ветровых нагрузок (при скорости ветра до 20 м/с), свыше паспортных значений (при скорости ветра до 22 м/с) и в зонах ветровых теней портов.

Разработаны дополнительные требования к техническим условиям на проектирование портальных кранов с учетом их эксплуатации при повышенных ветровых нагрузках.

Получено заключение завода Кранбау Эберсвальде, подтверждающее эксплуатацию кранов при скорости ветра до 22 м/с.

Составлены ветровые карты для морских портов Калининград, Мурманск, Одесса, Находка, утвержденные руководством этих портов.

Подтвержденный ЗАО "ЦНИИМФ" экономический эффект по морским торговым портам составляет 25 млн. руб. в год, а - ФГУП "ГИПРОРЫБФЛОТ" - по рыбным портам - 10 млн. руб. в год.

В заключении приведены научные и практические результаты выполненных исследований, содержатся положения, определяющие научную новизну и практическую ценность работы.

1. В результате теоретических, экспериментальных исследований и опытной эксплуатации портовых кранов доказана возможность использования портовых кранов в морских и рыбных портах при скорости ветра свыше 15 м/с в зависимости от типа крана, технологических схем перегрузочных работ, геометрических параметров циклов работы и парусности грузов.

2. Предложены методы повышения эффективности их использования при ветровых нагрузках: использование кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, но в пределах паспортных значений ветровых нагрузок с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ и парусность грузов; использование кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузов; использование кранов в зонах ветровых теней. Предложенные методы позволяют расширить диапазон допустимых скоростей ветра для рабочего состояния портовых кранов до 22 м/с, а в отдельных случаях до 25 м/с и более, а также использовать портовые краны в зонах ветровых теней.

...