Грузоподъемные траверсы — особенности дизайна и расчета

Схема усилий грузоподъемной траверсы на сжатие

Грузоподъемные траверсы работающие на сжатие — базовый элемент такелажной оснастки. Они используется повсеместно и часто случается так, что концепция забывается или игнорируется на этапе проектирования — итак ведь все понятно! Что  приводит к катастрофам локального масштаба. Давайте разберемся с теоретическими основами таких конструкций. 

Ряд производственных компаний предлагает комерческие грузоподъемные траверсы работающие на сжатие (далее распорки).  Их можно купить, или приобрести в аренду. Впрочем крупные компании, если у них есть цех и оборудование — изготавливают такого рода конструкции самостоятельно. Концепция довольно проста — в идеале такая траверса  должно испытывать только сжимающие усилие от нагрузки. За исключением чрезвычайно длинных балок, когда стержень немного провисает под собственным весом. В случае провисания, часть сил сжатия фактически создает момент в стрежне тем самым снижая его жесткость.

Траверсы на сжатие имеют два основных варианта: первый когда верхние стропы крепятся к распорке, и другой когда верхние стропы огибают её и продолжаются вниз, чтобы подключиться к нагрузке. Первый вариат — наиболее распространён, смотри рис 1

Рис. 1 подъем контейнера с использованием распорных траверс.

В основном этот тип распорок состоит из центрального стержня  (гнутосварной профиль или труба) и торцевых узлов соединяющих нагрузку с подъемным механизмом. Узлы могут быть сварными или съемными, съемные торцевые узлы могут крепится к стержню болтами (через фланец), либо скользить и зажиматься.

 

Рис. 2 примеры торцевых узлов распорных страверс

Распорки у которых торцевые узлы снимаются являются модульными по своему характеру. Т.е. длинна основного стерженя может меняться с помощью дополнительных вставок.

Из-за (относительно) облегченной конструкции важно, чтобы силы от верхнего и нижнего стропов пересекались на нейтральной оси, чтобы избежать изгибающих усилий в балке. Это часто упускается при производстве в «домашних» условиях. Да и не только в домашних, если пробежаться по каталогам производителей аналогичные ошибки можно найти почти в каждом случае на российском рынке.

Нейтральная ось распорной траверсы

Нейтральная ось — это ось в балке или трубе, вдоль которой нет продольных напряжений.

Нейтральная ось балки принципиальная схема

Рис. 3 иллюстрирует принцип нейтральной оси

На рисунке приведена балка с опорой в двух точках. При приложении нагрузки балка подвергается изгибу и сжатию. В верхней части балки материал сжимается (и балка становится немного короче), нижняя часть балки подвергается растяжению (растягивается на пару миллиметров). Если верхняя часть балки становится немного короче, а нижняя часть балки становится немного длиннее, должна быть часть балки (между верхней и нижней частью), которая сохраняет длинну постоянной. Линия, в которой это происходит называется нейтральной осью стержня. Для симметричных профилей нейтральная ось находится в геометрическом центре сечения. Это нас устраивает, потому что упрощает дизайн распорного устройства.

Почему важно, чтобы силы пересекались на нейтральной оси? Любая сила, которая применяется к распорке на нейтральной оси, приводит к усилию сжатия в стержне распоки. Любая сила приложенная но не выровненая по нейтральной оси, создает момент и как следствие изгиб стержня. Траверса которая подвергается изгибным силам и/или  изгибающему моменту намного сложнее в проектировании, дороже в производстве, и она уже не будет простой и легкой конструкцией, к которой мы стремимся.

Ниже приведена схемы наиболее распространенных узлов крепления распорной траверсы с объяснением образующихся в них сил.

Примеры узлов грузоподъемных траверс работающих на сжатие.

Типично не правильный узел траверсы работающей на сжатие

Рис 4а — типичный узел 

На рис. 4а показана простейшая конструкция — пластина с верхним и нижним отверстиями вваренная в прорезь. Независимо от применяемой оснастки и такелажа в таком узле у нас всегда будет плечо между проекциями действующих сил, и как следствие момент в узле. Отсюда изгиб балки и потеря несущей способности на сжатие. Из-за ошибки в дизайне надежность конструкции будет меньше теоретически достижимой.

Изгибающий момент при таком дизайне равен усилию от нижнего стропа помноженному на плечо А

М=F*A

Как видно изгибающий момент растет пропорционально уменьшению угла альфа.

Узел распорной траверсы - маленький шаг в верном направлении

Рис. 4b — выравние по нейтральной оси

Пример приведенный на рисунке 4b показывает серьезный прогресс в дизайне. Верхняя проушина расположенна под углом и если верхний строп будет расположен под тем же углом тогда проекции усилий от нагрузки и подъемного устройства пересекутся на нейтральной оси, это позволит избежать появления момента. Но все такелажники знают, что на практике это редко удается реализовать. Почти всегда нижний строп отклоняется от вертикали в ту или иную сторону.

Другая рабочая ситуация — распорка используется для подъема нескольких типов груза разного размера и веса. Вместо того чтобы удлиннять или укорачивать распорку (добавляя или убирая доборные элементы  в случаях модульных траверс), подгоняя размер под габариты груза возникает желание использовать уже собранную оснастку, чтобы сэкономить время. Естественно углы строповки меняются, и опять появляется момент.

Что касается верхних стропов, то, как только угол верхнего выступа известен, для такой траверсы можно назначить фиксированную такелажную оснастку со стропами подходящей длинны, в соответсвии с угловым смещением верхней проушины. Однако при выходе из зазора эти верхние стропы могут быть заменены на более короткие, итог тот же —  изгибающий момент в стержне траверсы.

Как мы можем преодолеть эти нежелательные ситуации, когда в стрежне распорки образуется изгибающий момент (для которых он не был разработан), но не потерять гибкость и использовать распоку на площадке для грузов разного размера и веса?

Узел траверсы с отверстием на нейтральной оси

узел траверсы с отверстием на нейтральной оси

Рис 4с — шаг в правильном направлении.

Одно из решений — расположить отверстие под верхний строп на нейтральной оси, угол верхнего стропа больше не может вводить изгибающий момент. На практике это означает, что любая длина стропа может использоваться при условии, что используется угол в не более 60 градусов между верхним стропом и стержнем распорки.

Однако нижние стропы все еще могут вызывать изгибающий момент в стержне распорки, если они отклоняются от вертикали.

Модульная траверса на сжатие с шарнирным узлом

Рис. 4d. Та самая траверса на сжатие. Шарниры, нейтральная ось, без образования моментов и изгиба. Для строповки грузов разного веса и размера. 

Этот тип распорки (конструкция Modulift в данном случае) имеет сходство с траверсой на рисунке 4c в том смысле, что также имеется отверстие для верхней стропы, расположенное на нейтральной оси. Кроме того, узел оснащен дополнительным поворотным-звеном. Звено представляет собой пластину с двумя отверстиями, которая находится между фланцами торцевой вилки, торцевая вилка — это «мама», а звено — «папа». Верхнее отверстие поворотного-звена выровнено с отверстиями торцевой вилки; втулка вилки держит его на своем месте позволяя поворотному звену вращаться. Нижнее отверстие звена соединяется с нижними стропами. Поскольку звено свободно вращается вокруг втулки — усилия от нижних и верхних строп всегда пересекаются на нейтральной оси. Другими словами, в таком узле никогда не будет изгибающих моментов.

 

Рис. 5 торцевой узел траверсы — Modulift под небольшие нагрузки, со звеном и чекелем.

Вы можете заметить, что на рисунке 5 верхний чекель больше нижнего. Это не случайность и не ошибка в оснащении. Обратитесь к рисунку 1, контейнер на 370 тонн, центр тяжести (CoG) расположен в центре между подъемными цапфами. Каждый из вертикальных стропов несет 370/4 = 92,5 тонны на стропу. Следовательно чекель на 100 тонн проходит для  нижних стопов. Верхние стропы расположены под углом 60 градусов от горизонтали. Из-за этого угла сила в каждом из верхних стропов составляет  92,5 (т)/sin(60) = 106 тонн. Т.е. 100-тонных чекелей недостаточно требуется следующий размер.

Траверсы на сжатие без промежуточной оснастки

Второй тип распорок когда стропы не оканчиваются на траверсе, а проходят по её торцевым огибателям сразу к нагрузке. Поскольку угол стропов над распоркой создает выталкивающе усилие на траверсе, необходимы вспомогательные стропы которые фиксируют положение такой траверсы.

Этот тип распорок имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество в том, что для основных строп не требуются чекеля на торцевых узлах балки, только пара небольших проушин для вспомогательных строп. Кроме того, требуются только два основных стропа, а не четыре как в выше приведенных случаях. Недостатком является то, что такие распорки всегда подвергаются некоторой степени изгиба из-за расположения проушин для вспомогательных строп. Чем ближе они к торцам траверсы, тем меньше изгибающий момент в стержне распорки, тем выше напряжение во вспомогательных стропах. Небольшой изгиб также вводится двумя главными стропами, поскольку углы подхода (от крюка крана до распорки) и углы вылета (от распорки до нагрузки) не совпадают. Сила сжатия, вероятно, будет идти слегка выше нейтральной оси. Это делает этот тип распорных траверс менее подходящим для вставных или скользящих креплений торцов. Фланцевые узлы для вставок подходят лучше всего, поскольку болты воспринимают эксцентриситет от сил сжатия.

И последнее, но не менее важное: анализ этих типов распорок сложнее, чем с ранее описанными распорными траверсами.

Сила в распорке вызванная углом 60 градусов, теперь воспринимается вспомогательными стропами. На рисунке 6 показан подъем блока HRSG массой 200 тонн. Две основные стропы каждый принимают 100 тонн, это натяжение стропов равнозначно под и над треверсой, так как это непрерывная стропа. Без учитёта местное трения на торцах траверсы. Угол между основным стропом и горизонталью составляет 75 градусов.

Если верхние и нижние стропы прекратятся в чекеле, верхнее натяжение стропа будет составлять 100 т / sin 75 = 103,5 т. Это не так, поскольку это непрерывная стропа, но когда мы рисуем силовую диаграмму, мы оставляем 3,5 тонны, что нужно учитывать. Эти 3,5 тонны воспринимаются вспомогательными стропами, чтобы противостоять силам в распорке от основных строп. Вспомогательные стропы должны быть ближе к торцам траверсы, чтобы воспринимать эти 3,5 тонны. На рисунке 6 вы можете видеть, что вспомогательные стропы фиксируются на расстоянии от торцов. Угол вспомогательных стропов с горизонталью составляет 85 градусов. Таким образом, напряжение в вспомогательных стропах будет:

Разница небольшая из-за больших верхних углов; если бы верхние углы были меньше, разница в растяжении в вспомогательных стропах была бы значительной в зависимости от места окончания.

SOURCE: KHL

Вывод

В процессе работы с текстом пришел к выводу, что терминология в целом не особо устоялась. Возможно ошибаюсь, буду рад замечаниям и исправлениям. Так же похоже, что в русскоязычном интернете материалов по грузоподъемным траверсам работающим на сжатие крайне мало, возможно не там искал. Буду признателен за ссылки на аналогичные материалы.

Те варианты, что удалось найти в большинстве своем содержат в своем конструктиве ошибки которые описаны в этом материале. Что собственно и побудило заняться темой.

Ссылки

Данная статья основном опирается на материал написанный 12 мая 2015 года под авторством Marco van Daal:

http://www.heavyliftnews.com/news/the-knowledge—spreader-bar-design-and-application

Так же были использованы следущие источники

Добавить комментарий

Имя *
E-mail *
Сайт