автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Методы повышения безопасности грузоподъемных кранов при ненормируемых условиях эксплуатации

Название главы, раздела Страница

1 Введение

1.1 Факторы, которые должны учитываться при поставке 9 грузоподъемных кранов для неблагоприятных условий эксплуатации

1.2 Оценка безопасности функционирования грузоподъемного 11 крана при неблагоприятных условий эксплуатации

1.3 Постановка задачи и краткая характеристика диссертационной 21 работы

2 Исследование влияния низких температур на стальные 29 металлические конструкции грузоподъемных кранов

2.1 Об эксплуатации изделий машиностроения в условиях 29 холодного климата. Состояние вопроса.

2.2 Выбор объектов исследования

2.3 Статистические данные о работе портальных кранов 60 производства ПТО им. Кирова в порту г. Дудинки

2.4 Исследование химических и механических свойств 62 металлопроката из портального крана, длительное время эксплуатировавшегося в климатических условиях порта Дудинка

2.5 Подход к оценке хладостойкости металлоконструкции с 77 использованием международных нормативных документов

2.6 Гармонизация результатов, полученных при выполнении 84 данной работы, с методикой определения нижнего предела температуры эксплуатации, принятой FEM

2.7 Примеры проверки хладостойкости металлоконструкций 86 портальных кранов по методике FEM с использованием результатов данной работы

2.8 Применение различных сочетаний сталей при ремонте кранов 87 импортного производства

2.9 Оценка риска температурного воздействия на элементы 88 металлоконструкции грузоподъемного крана

2.10 Краткие выводы по разделу

3 Совершенствование методики выбора и браковки стальных 94 канатов, эксплуатируемых при повышенных температурах

3.1 Расчет и выбор стальных канатов. Состояние вопроса.

3.2 Особенности браковки стальных канатов в эксплуатации

3.3 Особенности применения стальных канатов для подъемных 100 устройств в условиях воздействия тепловых излучений

3.4 Экспериментальная оценка фактической прочности каната в 112 процессе его нагрева

3.5 Статистические данные о сроке службы стальных канатов в 116 условиях термоциклических воздействий

3.6 Оценка риска температурного воздействия на стальные канаты 119 грузоподъемных кранов

3.7 Краткие выводы по разделу

4 Исследование динамики движения крана мостового типа

4.1 Исследование закономерностей движения кранов. Состояние вопроса

4.2 Описание расчетной модели

4.3 Определение нагрузок, входящих в правые части уравнений 142 4.10-4.

4.4 Особенности применения метода статистической 146 линеаризации

4.5 Существующие методы оценки погрешности установки 155 крановых ходовых колес

4.6 Краны грузоподъемные. Контроль точности установки ходовых 161 колес. Метод измерения.

4.7 Анализ различных частных случаев установки колес крана в 170 плане с применением формул стандарта ИСО

Согласно статистическим данным Ростехнадзора России, производственный травматизм и аварийность на подъемных сооружениях занимают третье место (после травматизма в угольной и горнорудной промышленности) и составляет примерно 90 аварий в год, причем более 80% этих аварий связано с грузоподъемными кранами уже отработавшими свой нормативный срок службы. Приведенная статистика свидетельствует о необходимости поиска дополнительных методов снижения аварийности и повышения безопасности парка грузоподъемных кранов.

В дальнейшем под термином «безопасность грузоподъемных кранов» будем понимать состояние крана, при котором риск от возникновения аварии ограничен допустимым (приемлемым) уровнем, а под «аварией» - опасное событие, приводящее либо к падению груза, либо к разрушению элементов «первой группы»: несущих элементов металлической конструкции, стальных канатов и т.д. Очевидно, что безопасность эксплуатируемых грузоподъемных кранов может быть достигнута путем разработки и реализации ряда системно взаимосвязанных методов (мероприятий), обеспечивающих предупреждение аварий с грузоподъемными кранами, т.е. снижающих риск их эксплуатации. Упомянутые «методы» должны выполняться на всех этапах жизненного цикла грузоподъемного крана.

1. Стадия проектирования. На стадии проектирования требуемые надежность, прочность, ресурс (срок службы) и безопасность грузоподъемного крана достигается выполнением расчета (оценки) по методу предельного состояния. При этом с учетом допустимого (приемлемого) уровня риска обычно оценивают следующие предельные состояния проектируемого крана: по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации. по затруднению нормальной эксплуатации.

К предельным состояниям по потере несущей способности относят предельные состояния, которые ведут к полной эксплуатационной непригодности грузоподъемного крана или к полной (частичной) потере несущей способности расчетных элементов его металлической конструкции (разрушение, образование значительных трещин, потеря устойчивости, переход в изменяемую систему за счет деформаций и разрушений, и т.п.).

К предельным состояниям по затруднению нормальной эксплуатации относят состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность расчетных элементов металлической конструкции (вследствие образования недопустимых перемещений элементов соединений, начальных трещин в местах концентрации напряжений, значительных коррозионных повреждений и т.п.).

Таким образом, в ходе проектирования требуется рассчитать риск, который должен быть ниже допустимого, при этом надежность и гарантию от возникновения предельного состояния металлической конструкции за весь последующий срок службы должна обеспечиваться следующими методами: надлежащим статистическим учетом возможных и наиболее неблагоприятных характеристик материалов, которые в свою очередь характеризуются вероятностным разбросом. Например, назначать расчетное сопротивление стали путем деления нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу, учитывающий выборочный характер контроля и возможность попадания в конструкцию металла с пониженными характеристиками, т.е. основанный на статистических данных; учетом возможных перегрузок и наиболее невыгодного (но реально возможного) сочетания нагрузок и воздействий. Например, назначать расчетные нагрузки путем умножения нормативных нагрузок на статистические коэффициенты надежности по нагрузкам, учитывающие возможные отклонения нагрузок в неблагоприятную сторону; надлежащим выбором расчетных схем и предпосылок расчета.

Таким образом, на стадии проектирования выявленные и идентифицированные опасности должны быть оценены с точки зрения их соответствия критериям приемлемого риска.

Оценка риска включает в себя анализ частоты, анализ последствий выявленных событий и анализ неопределенностей результатов.

Предположим, что Б - множество всех вероятных неблагоприятных событий = Обозначим К; - каждое из возможных сочетаний событий, из которых определенное сочетание К является подмножеством неблагоприятных событий множества S, записываемых в виде:

V" i с» с< >

Предположим, что в подмножестве неблагоприятных событий S имеются Ei -рискованные варианты решений и Ni - гарантированное отсутствие

ИГ ~ :> y V V *'■1 ' неблагоприятных событий для рискованного варианта ¡а - .

Вероятность рискованного решения обозначим через Р*(К§) и назовем его индексом риска, а вероятность гарантированного отсутствия неблагоприятного события через Pi(Ni) и назовем его соответственно индексом безопасности.

Тогда очевидно, что 1

Если каждому сочетанию Ki может быть поставлено в соответствие количественно описываемое последствие - As, то величину рискованного сопутствующего решения - Е» можно оценить риском, вычисляемым по формуле: О

Когда объект не работает, то индекс риска равен нулю, индекс безопасности -1, и, соответственно, Ri*fc = 0, однако наиболее важным (с точки зрения безопасности) является выполнение условия, когда Risk фактический ^ [Risk]

Выполнение этого условия при проектировании эквивалентно выполнению требований предельных состояний по несущей способности, т.е.:

Rn < Ф (S, RM, yh ys) где Rn - наибольшее возможное за весь срок службы расчетное усилие при неблагоприятном сочетании нагрузок и воздействий;

Ф - предельная минимальная расчетная несущая способность элемента; S - геометрические характеристики элемента;

Zw*, ы yi, ys — заданные коэффициенты надежности и условий работы, фактически отражающие «допустимый» уровень риска достижения предельного состояния за весь период эксплуатации металлической конструкции грузоподъемного крана.

2. Стадия изготовления. На данной стадии жизненного цикла грузоподъемного крана также должно быть обеспечено выполнение условия, что Risk фактический ^ [Risk]- Требуемые надежность, прочность, ресурс (срок службы) и безопасность конструкции достигается выполнением технологии изготовления и системой контроля качества выполненных работ (в соответствии с требованиями проекта и нормативных документов). Заметим, что на этой стадии происходит накопление информации о всех отступлениях от требований проекта и действующих норм, что крайне необходимо для оценки безопасности грузоподъемного крана в дальнейшем. Эти данные должны заноситься в паспорт крана и сохраняться в нем до списания крана. Утеря владельцем паспорта крана существенно увеличивает трудоемкость (сроки) и качество проведения экспертизы промышленной безопасности.

3. Стадия эксплуатации. На стадии эксплуатации грузоподъемного крана также должно быть обеспечено выполнение условия, что RjSk фактический < [Risk], поскольку именно на стадии эксплуатации грузоподъемного крана фактически происходит проверка адекватности моделей надежности, прочности, ресурса (срока службы), безопасности и назначенного уровня риска, применяемых на стадии проектирования и изготовления, фактическим условиям эксплуатации. Заметим, что понятие безопасность грузоподъемного крана в эксплуатации относительно новое и оно во многом тождественно понятию «приемлемого риска»1. До введения данного термина применительно к грузоподъемным кранам применялось понятие «техническое состояние», которое описывалось как «исправное», «неисправное», «работоспособное» или « неработоспособное».

Поэтому, в настоящее время существует проблемная ситуация, заключающаяся в отсутствии методов перехода от результатов инженерного обследования отдельных грузоподъемных кранов к оценке безопасности (оценке риска) в соответствии с требованиями Федерального законодательства.

1 Риск эксплуатации грузоподъемного крана является приемлемым, если его величина настолько незначительна, что ради выгоды, получаемой от эксплуатации грузоподъемного крана, общество готово пойти на этот риск.

Особенно это важно, когда по тем или иным причинам грузоподъемный кран «попадает» в условия эксплуатации, несоответствующие паспортным (т.е. тем, которые изначально не учитывались при его проектировании). Например, нередко в регионы с холодным климатом поступали краны обычного исполнения, поскольку серийные краны в исполнении УХЛ в нашей стране не изготавливались. Из - за системы кооперации, принятой в странах СЭВ, многие порты получали вместо отечественных исключительно импортные портальные краны. Существенная разница нижних пределов температур в европейских странах и России привела к тем же «температурным» несоответствиям, которые существовали ранее при эксплуатации «обычных» кранов на открытом воздухе в климатической зоне УХЛ.

Аналогичная «ситуация несоответствия» возникала и с кранами для интенсивных погрузочно - разгрузочных операций. Ранее основу поставок для указанных условий эксплуатации составляли те же краны «общего назначения», использующие в соответствии с системой унификации обычные металлические конструкции «среднего» режима работы и недорогие серийные компоненты.

Несоответствие возникало и в тех случаях, когда на открытые эстакады или в производственную технологию старых складов с «плохими» крановыми рельсовыми путями устанавливали краны с высокими скоростями механизма передвижения или некачественно выставленными колесами.

Приведенные примеры несоответствий (воздействий ненормируемых условий эксплуатации), в конечном счете, становились причиной тех или иных увеличенных нагрузок, которые приводили к росту как числа циклов нагружения, так и ухудшению параметров каждого цикла нагружения крана. В этом случае представляется достаточно актуальным установить количественные характеристики воздействия упомянутых перегрузок и оценить ИХ влияние на степень приближения Risk фактического К величине [Risk]

Несоответствия, о которых было упомянуто выше, не нашли своего однозначного толкования в действующих нормативных документах и «Правилах устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов - ПБ 10-382-00». Так, например, п.2.8 РД 24.090.52 оговаривает возможность нахождения кранов с металлоконструкциями из малоуглеродистых сталей в климатических районах П6 - 1112 по ГОСТ 16350-80 при нижней предельной температуре нерабочего состояния, равной минус 30 °С, а РД 10 - 112 части 4 и 5 предусматривают возможность регистрации и последующего продления срока службы кранов, металлоконструкция которых не соответствует температурным условиям эксплуатации района установки, только при положительных результатах механических свойств материала металлоконструкции.

Ст. 2.1.5. «Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. ПБ 10-382-00» устанавливает необходимость соответствия «климатического исполнения проектируемых кранов требованиям ГОСТ 15150» и оговаривает, в каких случаях нужен проект крана (а следовательно и сам грузоподъемный кран) в исполнении УХЛ. К сожалению, аналогичная по требованиям статья отсутствует в 9 разделе «Правил. ПБ 10-382-00», определяющем безопасность эксплуатации кранов.

Не оговорены в «Правилах.» - ПБ 10-382-00 и дополнительные требования к конструкции грузоподъемных кранов интенсивного использования (за исключением повышенных требований к канато - блочным системам), отсутствуют специальные требования к рельсовым путям для обеспечения надежной эксплуатации указанных кранов, а также регламенты ремонтов (капитального и капитально - восстановительного) практически для всего эксплуатируемого парка грузоподъемных кранов.

Ваши выводы объясняют и подтверждают- принципиальную возможность эксплуатации наших кранов исполнения У1 в условиях холодного климата. В этом несомненный положительный итог выполненной Вами работы.

В то же время, по нашему мнению, не очень корректно изложен вывод о возможности работы при температурах ниже - 40°С кранов, выполненных из малоуглеродистой стали - в выводе указано, что можно разрешить работу таких кранов с толщиной стенок металлоконструкций не более 10 мм. Однако, в этих кранах используется металл и больших толщин. По нашему мнению, было бы целесообразно на основании имеющегося многолетнего опыта успешной эксплуатации таких кранов и результатов Вашего исследования либо разрешить работу кранов без оговорок по толщине металла, либо разрешить ее с какими-то дополнительными ограничениями условий работы.

Hälfe (M-AVHHfor

Начальник бюро портальных кранов СКАлх/ur а.А.Ковин

ОТКРЫТО! АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО •ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ

НОРИЛЬСКИЙ НИКЕЛЬ"

ЗАПОЛЯРНЫЙ ФИЛИАЛ н ошхвк

ЮКЕЬ

УПРАВЛЕНИЕ ГЛАВНОГО МЕХАНИКА

ШШ, 1.Нфи*™,*п.0ктя6р***я 6, в/я ЗШ, факф919)33-04-07, В-тяНгии $ нк.м*гнИич1

ЩФ-81/ на Кв от

Зам. генерального директора ОАО «ВНИИПТМАШ»

А.С. Липатову

Факс:

СПРАВКА о работе портальных кранов исполнения «У» в зимний период 2000 - 2001 г.г.

На основании отчета ОАО «ВНИИПТМАШ», по НИР 3759 «Разработка научно-обоснованных рекомендаций по расширению паспоршого температурного диапазона эксплуатации грузоподъемных кранов, находящихся на открытом воздухе в климатических условиях г.г. Дудинка и Норильска» и учитывая, что с результатами выполненной научно -исследовательской работой согласно Управление по котлонадзору и подъемным сооружениям Госгортехиадзора России, был расширен паспортный температурный диапазон до минус 45°С рабочего состояния 67 портальных кранов исполнения «У», металлоконструкции которых изготовлены ю сталей марок 09Г2 и 09Г2С (из них 48 кранов установлены » г. Дудинка и 19 кранов в г. Норильск).

Портальные краны, у которых был расширен паспортный диапазон температур, отработали в зимний период 2000 - 2001 г.г. при температуре ниже минус 40°С до минус 45°С безаварийно. Отказы в работе кранов были, но они характерны для обычной эксплуатации кранов в течении всего года (в основном отказы по электрооборудованию).

Количество дней с температурой ниже минус 40°С было: в ноябре 2000 год 5 дней; в декабре 2000 года 20 дней; в январе 2001 года 23 дня; в феврале 2001 года 4 дня.

В Дудинском морской порту погрузо-разгрузочные работы кранами производятся круглогодично, за исключением паводкового периода (май-июнь).

С удежешем,

Главный механик Заполярного фил» ОАО«ГМК «Нор]

Исп. Козлов О.М. 35-00-57

ВЛЗ.Шпаковскнй